电阻式随机存取存储器及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种存储器及其制造方法，尤其涉及一种电阻式随机存取存储器(resistive random access memory，rram)及其制造方法。


背景技术：

2.rram具有操作速度快、低功耗等优点，因而成为近年来广为研究的一种非易失性存储器。然而，rram在制造的过程中所使用的蚀刻剂，或是在进行介电层的沉积工艺中或在检测的过程中，都容易导致氧交换层的侧壁发生氧化，因而导致多个rram的氧交换层彼此的有效面积不同，造成氧分布(oxygen distribution)不均，导致rram形成电流分布(forming current distribution)不均匀，而影响rram的信度。


技术实现要素：

3.本发明是针对一种电阻式随机存取存储器及其制造方法，可以避免氧交换层的侧壁被氧化。
4.根据本发明的实施例，提供一种电阻式随机存取存储器及其制造方法，可以控制氧交换层具有实质上相同的有效面积，以均匀氧分布，使rram可以具有均匀的形成电流分布。
5.根据本发明的实施例，还提供一种电阻式随机存取存储器包括第一电极层与第二电极层，彼此相对设置；可变电阻层，位于所述第一电极层与所述第二电极层之间；氧交换层，位于所述可变电阻层与所述第二电极层之间；导体层，侧向环绕于所述氧交换层的侧壁周围；第一阻挡层，位于所述导体层与所述氧交换层之间以及所述氧交换层与所述可变电阻层之间；以及第二阻挡层，位于所述导体层与所述第二电极层之间以及所述第二电极层与所述氧交换层之间。
6.根据本发明的实施例，还提供一种电阻式随机存取存储器的制造方法，包括：在第一电极层上形成可变电阻层；在所述可变电阻层上形成导体层；在导体层中形成开口；在所述开口中形成第一阻挡层与氧交换层；在所述导体层与所述氧交换层上形成第二阻挡层；以及在所述阻挡层上形成第二电极层。
7.基于上述，本发明提供一种电阻式随机存取存储器及其制造方法，可以避免氧交换层的侧壁被氧化，并且可以控制氧交换层具有实质上相同的有效面积，以均匀氧分布，使rram可以具有均匀的形成电流分布。另外，在进行set操作时，除了形成丝状物所产生的形成电流之外，可变电阻层与氧交换层的周围的导体层之间亦可以引发fn穿隧，所造成的漏电流可以增加总电流。
附图说明
8.图1a至图1f是依照本发明的实施例的一种电阻式随机存取存储器的制造流程的剖面示意图。
具体实施方式
9.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
10.请参照图1f，电阻式随机存取存储器(rram)单元10包括第一电极102a、可变电阻层104a、导体层106a、氧交换层112、第一阻挡层110、第二阻挡层114a以及第二电极116a。
11.第一电极102a可与介层窗100连接。介层窗100例如是形成在衬底上的金属内联机结构的任一介层窗(via)，例如是与最接近衬底的第一层金属层接触的第一层介层窗相同高度的介层窗。衬底可为半导体衬底或半导体上覆绝缘体(soi)衬底。衬底与第一层金属层之间可以包括其他的组件，例如是晶体管。第二电极116a可与介层窗120连接。介层窗120例如是金属内联机结构的任一介层窗，例如是与第二层金属层接触的第二层介层窗相同高度的介层窗。介层窗100与120例如是以物理气相沉积法形成的钨、铝、铜或其组合。
12.第一电极层102a与第二电极116a的材料可包括金属、金属氮化物、其他材料或其组合。第一电极层102a与第二电极116a的材料例如是氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、氮化钛铝(tialn)、钛钨(tiw)合金、铂(pt)、铱(ir)、钌(ru)、钛(ti)、钨(w)、钽(ta)、铝(al)、锆(zr)、铪(hf)、镍(ni)、铜(cu)、钴(co)、铁(fe)、钆(gd)、锰(mo)、石墨或上述材料的组合，形成方法可例如是物理气相沉积法或化学气相沉积法。第一电极层102a与第二电极116a可以是单层或是多层。第一电极层102a与第二电极116a的厚度并无特别限制，但通常在5纳米(nm)至500纳米之间。
13.可变电阻层104a位于第一电极层102a与第二电极116a之间。可变电阻层104a可具有以下特性：当施加正偏压于电阻式随机存取存储器时，氧离子受正偏压的吸引离开可变电阻层104a而产生氧空缺(oxygen vacancy)，形成丝状物(filament)并呈现导通状态，此时可变电阻层104a由高电阻状态(high resistance state，hrs)转换到低电阻状态(low resistance state，lrs)；而当施加负偏压于电阻式随机存取存储器时，会有氧离子进入可变电阻层104a，使丝状物断裂并呈现非导通状态，此时可变电阻层104a由lrs转换到hrs。一般来说，可变电阻层104a由hrs转换到lrs称作设置(后称set)操作，而可变电阻层104a由lrs转换到hrs称作重置(后称reset)操作。可变电阻层104a的材料并无特别限制，只要是可以通过电压的施予改变其自身电阻的材料都可以使用。在本实施方式中，可变电阻层104a的材料包括金属氧化物，例如氧化铪(hfo2)、氧化钽(ta2o5)、氧化钛(tio2)、氧化镁(mgo)、氧化镍(nio)、氧化铌(nb2o5)、氧化铝(al2o3)、氧化钒(v2o5)、氧化钨(wo3)、氧化锌(zno)或氧化钴(coo)，形成方法例如是化学气相沉积法或是原子层沉积法。在本实施方式中，可变电阻层104a的氧含量可为约75原子百分比(at％)至约100原子百分比。可变电阻层104a的厚度例如是2纳米到10纳米。
14.导体层106a、第一阻挡层110、氧交换层112以及第二阻挡层114a位于可变电阻层104a与第二电极层116a之间。第一阻挡层110与第二阻挡层114a环绕包覆氧交换层112。第一阻挡层110位于导体层106a与氧交换层112之间，且位于氧交换层112与可变电阻层104a之间。第二阻挡层114a位于第二电极116a与导体层106a之间，且位于第二电极116a与氧交换层112之间。第一阻挡层110与第二阻挡层114a可包括高介电常数的介电材料层，例如是氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)或氧化锆(zro2)。在本实施方式中，当rram单元10进行reset操作时，第一阻挡层110与第二阻挡层114a可以阻挡氧交换层112中的氧离子扩散至第二电
极116。
15.氧交换层112被第一阻挡层110与第二阻挡层114a环绕包覆。氧交换层112的侧壁与底面被第一阻挡层110覆盖，而氧交换层112的顶面被第二阻挡层114a覆盖。氧交换层112可以是比导体层106a以及可变电阻层104a更容易和氧键结的材料。当rram单元10进行set操作时，可变电阻层104a中的氧离子在受正偏压吸引离开可变电阻层104a后会进入氧交换层112；而当rram单元10进行reset操作时，氧交换层112中的氧离子会回到可变电阻层104a。氧交换层112的材料可包括未完全氧化的金属氧化物。换言之，氧交换层112本身为含氧离子的金属层。当rram单元10进行reset操作时，氧交换层112中有足够的氧离子可进入可变电阻层104，因为氧交换层112中存在来自可变电阻层104a的氧离子以及其本身所具有的氧离子。具体而言，在本实施方式中，氧交换层112的材料例如可包括tio
2-x
、hfo
2-x
或tao
2-x
，其中x为0.2至0.7。在本实施例中，氧交换层112的顶面积小于第二电极116a的底面积，且氧交换层112的底面积小于可变电阻层104a的顶面积。
16.导体层106a位于第二阻挡层114a与可变电阻层104a之间，并且侧向环绕在氧交换层112与第一阻挡层110的侧壁周围，以避免氧扩散进入氧交换层112。在一实施例中，导体层106a的顶面与第一阻挡层110的顶面以及氧交换层112的顶面共平面。导体层106a的底面与第一阻挡层110的顶面共平面。导体层106a包括比氧交换层112更不易和氧键结的材料。导体层106a又可称为惰性导体层106a。导体层106a可以是单层或是多层。导体层106a的材料可以是金属或是金属氮化物，例如是铂、铱、钌、铑、钨、钛、铪、钽、氮化铪、氮化钽、氮化钛、氮化钨，或其组合，形成方法例如是物理气相沉积法。导体层106a的厚度例如是10纳米至100纳米。从上视图观之，各个导体层106a可以是一个环绕在氧交换层112周围的环。导体层106a环的宽度w1小于氧交换层112的宽度w2。导体层106a的环的宽度w1与氧交换层112的宽度w2的比值例如是0.2至0.8。导体层106a的环的宽度w1例如是50纳米至200纳米。
17.当电阻式随机存取存储器进行set操作时，可变电阻层104a中的氧离子受正偏压吸引离开可变电阻层104a后会进入氧交换层112，而在可变电阻层104a产生氧空缺，而形成丝状物电流。此外，在进行set操作时，可变电阻层104a中的电子受正偏压吸引，在导体层106a与可变电阻层104a之间引发fowler-nordheim(fn)穿隧而造成漏电流。漏电流的形成，可使得set操作的总电流增加。当rram单元10进行reset操作时，氧交换层112中的氧离子会回到可变电阻层104a，并且在可变电阻层104a与导体层106a之间不会引发fn穿隧。
18.rram单元10的侧壁与顶面被介电层118环绕覆盖。rram单元10的第一电极102a、可变电阻层104a、导体层106a、第一阻挡层110的侧壁以及第二电极116a的侧壁与顶面被介电层118覆盖并与其接触。氧交换层112与介电层118之间以第一阻挡层110以及导体层106a分隔，而未接触。
19.rram单元10的制造方法可以参照图1a至图1f说明如下。在本文中，相同或相似的构件使用相同或相似的组件符号，且可以采用相同的材料或方法来形成。举例来说，第一电极层102与102a的构件可以采用相同的材料或方法来形成。
20.参照图1a，在已形成介层窗100的衬底(未示出)上依序形成第一电极层102、可变电阻层104以及导体层106。介层窗100的材料例如是钨。
21.参照图1b，进行光刻与蚀刻工艺(例如各向异性蚀刻工艺)，以图案化导体层106，在导体层106中形成开口108。开口108裸露出可变电阻层104。
22.参照图1c，在开口108中形成第一阻挡层110与氧交换层112。第一阻挡层110与氧交换层112的形成方法例如是包括以下所述的步骤。在导体层106上与开口108之中形成第一阻挡层110与氧交换层112，之后，进行化学机械抛光工艺，以移除导体层106上的第一阻挡层110与氧交换层112。
23.参照图1d，在导体层106、第一阻挡层110与氧交换层112上形成第二阻挡层114与第二电极层116。
24.参照图1e，进行光刻与蚀刻工艺，以图案化第二电极层116、第二阻障层114、导体层106、可变电阻层104以及第一电极层102，以形成多个rram单元10。各个rram单元10包括第一电极102a、可变电阻层104a、导体层106a、氧交换层112、第一阻挡层110、第二阻挡层114a以及第二电极116a。
25.参照图1f，在衬底上形成介电层118。介电层118例如是化学气相沉积法形成的氧化硅或是低介电常数材料。之后，进行光刻与蚀刻工艺，在介电层118中形成介层窗开口。然后，在介层窗开口中形成介层窗120。介层窗120的材料例如是钨。
26.综合以上所述，由于本发明实施例的氧交换层被可变电阻层、导体层、第二阻挡层以及第二电极层包覆，在蚀刻导体层所使用的蚀刻剂不会与氧交换层接触，且介电层也不会与氧交换层接触。因此，氧交换层的侧壁不会在蚀刻、沉积介电层、热工艺或是进行测试期间氧化，而影响其有效的面积与体积。
27.在本发明实施例的方法中，通过图案化工艺的控制，每一个rram单元的氧交换层可以具有实质上相同的有效面积，以均匀氧分布。因此，rram可以具有均匀的形成电流分布。
28.再者，由于本发明实施例的方法可以避免氧交换层的侧壁发生氧化而形成氧化层，因此，在rram在操作的过程中，可以避免这一些额外形成的氧化层提供额外的氧原子或氧离子，而造成信度的问题。
29.另一方面，在rram单元进行set操作时，除了形成丝状物所产生的形成电流之外，可变电阻层与氧交换层的周围的导体层之间亦可以引发fn穿隧而产生漏电流，因此可以增加循环窗(cycling window)，降低reset操作时的偏压，避免互补开关效应(complementary switching(cs)effect)。
30.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。