电阻式随机存取存储器及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种电阻式随机存取存储器及其制造方法。


背景技术：

2.近年来电阻式随机存取存储器(resistive random access memory，rram)的发展极为快速，是目前最受瞩目的未来存储器的结构。由于rram具备低功耗、高速运作、高密度以及兼容于互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)工艺技术的潜在优势，因此非常适合作为下一世代的非易失性存储器组件。
3.现行的rram需要较厚的过渡金属氧化物(tmo)层来改善高温数据保持能力(high-temperature data retention，htdr)。然而，在图案化过厚的tmo层时会损坏tmo层的侧壁，以使后续rram的操作失败。此外，过厚的tmo层也会在形成操作时产生额外的可靠度问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种电阻式随机存取存储器及其制造方法，其可保持数据储存层在一定厚度下增加电流增益(current gain)，进而提升存储器效能。
5.本发明提供一种电阻式随机存取存储器包括：介电层、下电极、数据储存层、隔离结构、第一储氧层、第二储氧层以及上电极。下电极突出于介电层的顶面。数据储存层共形地覆盖下电极与介电层。隔离结构配置在下电极上。数据储存层夹置在隔离结构与下电极之间。第一储氧层配置在隔离结构的第一侧处的数据储存层上。第二储氧层配置在隔离结构的第二侧处的数据储存层上。隔离结构分隔第一储氧层与第二储氧层。上电极配置在第一储氧层与第二储氧层上且被第一储氧层与第二储氧层共享。
6.本发明提供一种电阻式随机存取存储器的制造方法，包括：形成突出于介电层的顶面的下电极；在下电极与介电层上共形地形成数据储存层；在数据储存层上形成储氧材料层；在储氧材料层中形成开口，以暴露出下电极上的数据储存层；在开口中形成隔离结构，其中隔离结构将储氧材料层分隔成第一储氧层与第二储氧层；以及在第一储氧层与第二储氧层上形成上电极，其中第一储氧层与第二储氧层共享上电极。
7.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
8.图1a至图1g是本发明第一实施例的电阻式随机存取存储器的制造流程的剖面示意图；
9.图2a与图2b分别是图1e的上视示意图；
10.图3是本发明第二实施例的电阻式随机存取存储器的剖面示意图；
11.图4是本发明第三实施例的电阻式随机存取存储器的剖面示意图。
具体实施方式
12.参照本实施例的附图以更全面地阐述本发明。然而，本发明亦可以各种不同的形式体现，而不应限于本文中所述的实施例。附图中的层与区域的厚度会为了清楚起见而放大。相同或相似的组件符号表示相同或相似的组件，以下段落将不再一一赘述。
13.图1a至图1g是本发明第一实施例的电阻式随机存取存储器的制造流程的剖面示意图。
14.本发明第一实施例提供一种电阻式随机存取存储器100(如图1g所示)的制造方法，其包括以下步骤。首先，请参照图1a，提供基底102。在一实施例中，基底102包括半导体基底，例如是硅基底。接着，在基底102上形成介电层104与下电极106。下电极106内埋在介电层104中。在一实施例中，介电层104的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合。下电极106的材料包括导电材料，其可例如是金属材料、金属氮化物或其他合适的导电材料。举例来说，下电极106可以是tin层。在本实施例中，介电层104可视为金属间介电(imd)层。在此情况下，下电极106可电性连接至基底102与下电极106之间的组件层(未示出)。所述组件层包括有源组件，例如是晶体管、二极管等类似组件。
15.请参照图1a与图1b，进行回蚀刻工艺，以移除部分介电层104，使得下电极106突出于介电层104a的顶面104t。也就是说，介电层104a的顶面104t低于下电极106的顶面106t。在一实施例中，突出于介电层104a的下电极106的高度106h可以是10nm至100nm。上述的回蚀刻工艺可以是湿式蚀刻工艺或是各向同性蚀刻工艺。
16.请参照图1c，在下电极106与介电层104a上共形地形成数据储存层108。在一实施例中，数据储存层108的材料包括选自由tio2、nio、hfo、hfo2、zro、zro2、ta2o5、zno、wo3、coo及nb2o5所组成的群组中之至少一者的氧化物材料，数据储存层108的形成方法包括原子层沉积法(ald)、化学气相沉积法(cvd)或类似沉积法。举例来说，数据储存层108可例如是hfo2层，数据储存层108的厚度108t可以是3nm至15nm。但本发明不以此为限，在其他实施例中，数据储存层108的材料是可以透过电压的施予改变其自身电阻的可变电阻材料。
17.请参照图1d，在数据储存层108上形成储氧材料层(oxygen reservoir material layer)110。在一实施例中，储氧材料层110的材料可包括ti、ta、hf、zr、al或其组合等合适的金属材料，储氧材料层110的形成方法可以是物理气相沉积法(pvd)。举例来说，储氧材料层110可例如是ti层，储氧材料层110的厚度110t可以是100nm至300nm。储氧材料层110的厚度可大于突出于介电层104a的下电极106的高度106h，以覆盖下电极106的顶面106t。在替代实施例中，储氧材料层110对氧离子的吸附能力或结合能力可大于数据储存层108的吸附能力或结合能力，以在存储单元操作时快速地吸附或结合氧离子，藉此在数据储存层108中产生灯丝。
18.请参照图1d与图1e，进行图案化工艺，以在储氧材料层110中形成开口112。开口112暴露出下电极106正上方的数据储存层108。具体来说，如图1e所示，开口112不仅暴露出下电极106的顶面106t上的数据储存层108，也暴露出下电极106的上侧壁106s上的数据储存层108。从上视图2a的角度来看，下电极106可以是圆形，开口112亦可以是圆形，开口112的面积大于下电极106的面积，且开口112完全覆盖下电极106。但本发明不以此为限，如上视图2b所示，下电极106可以是矩形或其他形状，开口112亦可以是矩形或其他形状。
19.在形成开口112之后，连续的储氧材料层110被开口112分隔成第一储氧层110a与
第二储氧层110b。第一储氧层110a位于开口112的第一侧112s1处的数据储存层108上，而第二储氧层110b位于开口112的第二侧112s2处的数据储存层108上。值得注意的是，在一实施例中，数据储存层108可视为上述的图案化工艺的蚀刻停止层。在此情况下，外露于开口112的数据储存层108会在上述的图案化工艺中被耗损，以使外露于开口112的数据储存层108具有第一厚度108t1，而未外露于开口112的数据储存层108具有第二厚度108t2。在本实施例中，第一厚度108t1小于第二厚度108t2。
20.请参照图1f，在开口112中形成隔离结构114。具体来说，隔离结构114的形成方法包括：在开口112中共形地形成阻障材料；在阻障材料上形成绝缘材料以填满开口112，并延伸覆盖第一储氧层110a与第二储氧层110b；以及进行平坦化工艺(例如是cmp工艺)，移除部分绝缘材料与部分阻障材料，以暴露出第一储氧层110a的顶面110t1与第二储氧层110b的顶面110t2。在进行平坦化工艺之后，隔离结构114包括第一阻障层116与绝缘层118。第一阻障层116共形地覆盖开口112。绝缘层118位于第一阻障层116上且填满开口112。在本实施例中，第一阻障层116可用以当作氧扩散阻障层，以避免氧离子在绝缘层118与第一储氧层110a或绝缘层118与第二储氧层110b之间移动。在一实施例中，第一阻障层116的材料包括氧化铝(al2o3)、氮化硅、碳化硅、碳氮化硅、其组合等合适的介电材料，第一阻障层116的厚度可以是1nm至15nm。绝缘层118的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、其组合等合适的绝缘材料。另外，在进行平坦化工艺之后，隔离结构114的顶面114t可与第一储氧层110a的顶面110t1以及第二储氧层110b的顶面110t2共平面。
21.从另一角度来看，如图1d与图1f所示，隔离结构114将连续的储氧材料层110分隔为第一储氧层110a与第二储氧层110b。第一储氧层110a位于隔离结构114的第一侧114s1处的数据储存层108上，而第二储氧层110b位于隔离结构114的第二侧114s2处的数据储存层108上。隔离结构114覆盖下电极106的顶面106t上的数据储存层108，并延伸覆盖下电极106的上侧壁106s上的数据储存层108，如图1f所示。在本实施例中，覆盖下电极106的顶面106t的数据储存层108具有第一厚度108t1，覆盖介电层104a的顶面104t具有第二厚度108t2，且第一厚度108t1小于第二厚度108t2。
22.请参照图1g，在隔离结构114、第一储氧层110a以及第二储氧层110b上形成第二阻障层120。在一实施例中，第二阻障层120的材料包括氧化铝、氮化硅、碳化硅、碳氮化硅、其组合等合适的介电材料第二阻障层120的厚度可以是1nm至10nm。第二阻障层120与第一阻障层116可具有相同材料或是不同材料。在本实施例中，第二阻障层120可用以当作氧扩散阻障层，以阻挡氧离子从第一储氧层110a(或第二储氧层110b)扩散至上电极122中，而无法再度回到数据储存层108中，进而避免组件失效的问题。
23.然后，在第二阻障层120上形成上电极122，以使第二阻障层120位于上电极122与隔离结构114之间、上电极122与第一储氧层110a之间以及上电极122与第二储氧层110b之间。在一实施例中，上电极122的材料包括导电材料，其可例如是金属材料、金属氮化物或其他合适的导电材料。举例来说，上电极122可以是tin层。在一实施例中，上电极122与下金属104可具有相同材料或是不同材料。在形成上电极122之后，第一实施例的电阻式随机存取存储器100便已完成。电阻式随机存取存储器100可配置在内连线结构中任意两个金属层之间，例如第一金属层(m1)与第二金属层(m2)之间。
24.值得注意的是，如图1g所示，隔离结构114将连续的储氧材料层分隔为第一储氧层
110a与第二储氧层110b，以形成双信道的存储单元。第一储氧层110a与第二储氧层110b共享一连续的上电极122。在保持数据储存层108在原始设计厚度的情况下，双信道的存储单元具有较大的电流增益，以提升电阻式随机存取存储器100的效能。也就是说，本发明实施例的电阻式随机存取存储器100不需要增加数据储存层的厚度便可得到较佳的高温数据保持能力。另一方面，在进行形成操作时，具有较薄厚度的数据储存层108的形成电压较低，其有利于量产制造且可提升电阻式随机存取存储器100的可靠度。
25.此外，第一储氧层110a直接接触下电极106的第一侧壁s1上的数据储存层108，因此，灯丝(filament)会形成在下电极106的第一侧壁s1上的数据储存层108中，以作为电流传递路径p1。此电流传递路径p1因较薄的数据储存层108而具有较低的电阻值，进而提升电阻式随机存取存储器100的效能。相似地，第二储氧层110b直接接触下电极106的第二侧壁s2上的数据储存层108，因此，灯丝会形成在下电极106的第二侧壁s2上的数据储存层108中，以作为另一电流传递路径p2。此电流传递路径p2也因较薄的数据储存层108而具有较低的电阻值，进而提升电阻式随机存取存储器100的效能。
26.图3是本发明第二实施例的电阻式随机存取存储器的剖面示意图。
27.请参照图3，本发明第二实施例的电阻式随机存取存储器200与本发明第一实施例的电阻式随机存取存储器100相似，其主要不同之处在于：第二实施例的电阻式随机存取存储器200具有第三储氧层210，其内埋在隔离结构114中。在一实施例中，第三储氧层210的形成方法包括：在形成图1f的隔离结构114之后，图案化隔离结构114，以在隔离结构114中形成开口115；接着，在开口115中形成第三储氧层210。在此情况下，第三储氧层210会穿过第一阻障层116以与数据储存层108接触。隔离结构114分隔第一储氧层110a、第二储氧层110b以及第三储氧层210。隔离结构114的顶面与第一储氧层110a的顶面、第二储氧层110b的顶面以及第三储氧层210的顶面共平面。
28.值得注意的是，在本实施例中，隔离结构114将连续的储氧材料层分隔为第一储氧层110a、第二储氧层110b以及第三储氧层210，以形成三信道的存储单元。在此情况下，三信道的存储单元可具有更大的电流增益，以更进一步地提升电阻式随机存取存储器200的效能。另外，在保持数据储存层108在原始设计厚度的情况下，本实施例可进一步地将连续的储氧材料层分隔为多信道结构，以有效缩小芯片使用面积，进而达到微型化的需求。
29.图4是本发明第三实施例的电阻式随机存取存储器的剖面示意图。
30.请参照图4，本发明第三实施例的电阻式随机存取存储器300与第二实施例的电阻式随机存取存储器200相似，其主要不同之处在于：第三实施例的电阻式随机存取存储器300的第一阻障层316更延伸覆盖第三储氧层310的侧壁。在一实施例中，第三储氧层310的形成方法包括：在形成图1d的储氧材料层110之后，进行图案化工艺，以在储氧材料层110中形成两个开口109、111；接着，在两个开口109、111中形成隔离结构314。具体来说，如图4所示，隔离结构314包括第一阻障层316与绝缘层318。第一阻障层316共形地覆盖开口109、111。绝缘层318位于第一阻障层316上且填满开口109、111。在本实施例中，第一储氧层110a、第二储氧层110b以及第三储氧层310是同时形成的。隔离结构314分隔第一储氧层110a、第二储氧层110b以及第三储氧层310。
31.综上所述，本发明实施例可将连续的储氧材料层分隔为多信道结构且此多信道结构共享上电极，以增加电流增益，进而提升电阻式随机存取存储器的效能。另外，在进行形
成操作时，具有较薄厚度的数据储存层的形成电压较低，其有利于量产制造且可提升电阻式随机存取存储器的可靠度。此外，本发明实施例的多信道结构可有效缩小芯片使用面积，进而达到微型化的需求。
32.虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。