一种RRAM器件及其制造方法与流程

一种rram器件及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种rram器件及其制造方法。


背景技术：

2.rram(resistive random access memory阻变式存储器)利用某些薄膜材料在外加电场的作用下表现出的两个或两个以上的不同电阻态来实现数据存储，是近十多年来受到学术界和工业界广泛关注的一种新型非易失性存储器，其典型结构为金属电极-氧化物-金属电极。在外电场的激励作用下，器件可在高、低阻态之间发生可逆转变，且其高、低阻态在电场撤销之后仍能够保持。rram具有擦写速度快、存储密度高、重复擦写次数高、多值存储和三维存储等重多优势。在外电场的激励作用下，器件可在高、低阻态之间发生可逆转变，且其高、低阻态在电场撤销之后仍能够保持。forming(成型)过程是指rram第一次从初始的高阻态跳变到低阻态的过程，相反的处于低阻态的rram在被施加一定电压激励后可以转换到高阻态，低阻态跳变到高阻态的过程称之为reset(重置)。经过reset过程后进入高阻态的rram也可以通过施加电压激励转换到低阻态，而这个过程不同于第一次的高阻态跳变低阻态称之为set(复位)过程。
3.但是目前采用的钽氧化工艺和pvd(物理气相沉积)工艺forming电压太高在还不能满足40nm工艺所能提供的最高电压限制，钽氧化工艺缺陷是氧化程度不易控制，氧化时间过短，钽氧化不充分，降低阻变层厚度，存在被击穿风险；氧化时间过长，下电极易被氧化，增加阻变层厚度，造成forming电压过高。(图1a至图1c所示)
4.pvd工艺缺点是forming电压加大，不能满足工艺的高压限制。
5.为此，需要一种新型方法改变阻变材料中钽价态分布，以改善阻变材料来降低forming电压和增大存储窗口。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种rram器件及其制造方法，用于解决现有技术中钽氧化工艺和pvd(物理气相沉积)工艺成型电压太高在还不能满足40nm工艺所能提供的最高电压限制，钽氧化工艺缺陷是氧化程度不易控制，氧化时间过短，钽氧化不充分，降低阻变层厚度，存在被击穿风险；氧化时间过长，下电极易被氧化，增加阻变层厚度，造成forming电压过高的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种改善rram器件阻变材料特性的制造方法，包括：
8.步骤一、提供衬底，所述衬底上形成有第一金属电极；
9.步骤二、在所述第一金属电极的表面形成第一氧化层；
10.步骤三、继续氧化所述第一氧化层，使得所述第一氧化层的上层氧化为第二氧化层，其中所述第二氧化层的含氧量大于所述第一氧化层；
11.步骤四、在所述第二氧化层表面形成第二金属电极。
12.优选地，步骤一中的所述衬底为硅衬底。
13.优选地，步骤一中所述第一金属电极的材料为氮化钽。
14.优选地，步骤二中所述第一氧化层的材料为钽的氧化物。
15.优选地，步骤三中利用氧气和稀有气体的混合气体控制所述第二氧化层中金属离子的价态。
16.优选地，步骤三中所述稀有气体为氩气。
17.优选地，步骤三中所述氧气与氩气的比值为20:25、15:25、10:25、8:25、5：25中的任意一种。
18.优选地，步骤四中所述第二金属电极的材料为氮化钛。
19.一种rram器件结构，可由上述任意步骤的方法制造，包括：
20.衬底，所述衬底上形成有第一金属电极；
21.所述第一金属电极的表面形成有第一氧化层；
22.所述第一氧化层的上表面形成有第二氧化层，其中所述第二氧化层的含氧量大于所述第一氧化层；
23.所述第二氧化层表面形成有第二金属电极。
24.优选地，所述衬底为硅衬底。
25.优选地，所述第一氧化层的材料为钽的氧化物。
26.优选地，所述第一金属电极的材料为氮化钽。
27.优选地，所述第二金属电极的材料为氮化钛。
28.如上所述，本发明的改善rram器件阻变材料特性的制造方法，具有以下有益效果：
29.本发明采用氧化钽物理气相沉积工艺与氧化工艺来改变阻变材料中钽价态分布，以改善阻变材料来降低forming电压和增大存储窗口。
附图说明
30.图1a至c显示为现有技术的一种钽氧化工艺示意图；
31.图2显示为本发明的工艺流程示意图；
32.图3显示为本发明的形成第一金属电极示意图；
33.图4显示为本发明的形成第一氧化层示意图；
34.图5显示为本发明的形成第二氧化层示意图；
35.图6显示为本发明的形成第二金属电极示意图；
36.图7显示为本发明的第二氧化层形成方式示意图；
37.图8显示为本发明的器件工作原理示意图。
具体实施方式
38.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
39.请参阅图2，本发明提供一种改善rram器件阻变材料特性的制造方法，包括：
40.步骤一，请参阅图3，提供衬底(图中未画出)，衬底上形成有第一金属电极；
41.在一种可选的实施方式中，步骤一中的衬底为硅衬底，可在硅衬底上形成第一金属电极，也可在在硅衬底上形成外延层后，在外延层上形成第一金属电极。
42.在一种可选的实施方式中，步骤一中第一金属电极的材料为氮化钽。
43.应当理解的是，此处第一金属电极的材料也才采用其它类型的材料。
44.步骤二，请参阅图4，在第一金属电极的表面形成第一氧化层；
45.在一种可选的实施方式中，步骤二中第一氧化层的材料为钽的氧化物。
46.应当理解的是，此处第一氧化层的材料也才采用其它类型的材料。
47.步骤三，请参阅图5，继续氧化第一氧化层，使得第一氧化层的上层氧化形成为第二氧化层，其中第二氧化层的含氧量大于第一氧化层；
48.在一种可选的实施方式中，步骤三中利用氧气和稀有气体的混合气体控制第二氧化层中金属离子的价态，钽与氧气反应可生成tao、tao2和ta2o5，通过控制氧气和混合气体的比值，可以控制氧气的浓度，进而控制钽与氧气反应生成的产物。
49.在一种可选的实施方式中，步骤三中稀有气体为氩气。
50.应当理解的是，此处的稀有气体也才采用其它类型的惰性气体。
51.在一种可选的实施方式中，请参阅图7，步骤三中氧气与氩气的比值为20:25、15:25、10:25、8:25、5：25中的任意一种，可以控制tao、tao2和ta2o5的生成比值。
52.步骤四，请参阅图6，在第二氧化层表面形成第二金属电极。
53.请参阅图8，在根据上述任意步骤形成的rram器件结构后，钽的氧化物阻变材料通过导电通道形成是由于氧化物在强电场作用下其与电极的界面处附近的晶格氧被激发跑到电极中留下了空位，然后又受场作用处附近的晶格氧被激发跑到电极中留下了空位，然后附件的氧又受电场作用迁移到此氧空位位置，因此可以等效为氧空位从一侧电极向氧化物内部扩散最终形成联通两个电极的导电通道，导电通道断开是在反向电场作用下阳离子与氧空位的复合作用下形成的。
54.本实施例中由于阻变层中上半部分氧含量高，晶格氧在电场作用下更易被激发跑到电极中留下氧空位，然后附件的氧又受电场作用迁移到此氧空位位置，最终形成氧空位导电通道，从而有效降低了forming电压。
55.本实施例中在reset时，在反向电场和氧浓度梯度作用下，reset电压也会降低。
56.本实施例中由于阻变材料氧含量的增加，高组态的电阻也会增加，而低组态是由氧空位形成的导电通道，氧含量影响较小，因此也增大存储窗口。
57.在一种可选的实施方式中，步骤四中第二金属电极的材料为氮化钛。
58.应当理解的是，此处第二金属电极的材料也才采用其它类型的材料。
59.一种rram器件结构，可由上述任意步骤的方法制造，包括：
60.衬底，衬底上形成有第一金属电极；
61.第一金属电极的表面形成有第一氧化层；
62.第一氧化层的上表面形成有第二氧化层，其中第二氧化层的含氧量大于第一氧化层；
63.第二氧化层表面形成有第二金属电极。
64.在一种可选的实施方式中，衬底为硅衬底。
65.在一种可选的实施方式中，第一氧化层的材料为钽的氧化物。
66.在一种可选的实施方式中，第一金属电极的材料为氮化钽。
67.在一种可选的实施方式中，第二金属电极的材料为氮化钛。
68.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
69.综上所述，本发明采用氧化钽物理气相沉积工艺与氧化工艺来改变阻变材料中钽价态分布以改善阻变材料来降低成型电压和增大存储窗口。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
70.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。