存儲裝置與電阻式存儲單元的操作方法與流程

2023-05-28 21:52:41

本發明是有關於一種存儲單元及其操作方法，且特別是有關於一種電阻式存儲單元及其操作方法。

背景技術：

隨著半導體技術的進步，電子元件的微縮能力不斷提高，使得電子產品能夠在維持固定大小，甚至更小的體積之下，能夠擁有更多的功能。而隨著信息的處理量愈來愈高，對於大容量、小體積的存儲器需求也日益殷切。

目前的可擦寫存儲器是以電晶體結構配合存儲單元作信息的儲存，但是此種存儲器架構隨著製造技術的進步，可微縮性(scalability)已經達到一個瓶頸。因此先進的存儲器架構不斷的被提出，例如相變化隨機存取存儲器(phasechangerandomaccessmemory，pcram)、磁性隨機存取存儲器(magneticrandomaccessmemory，mram)、電阻式隨機存取存儲器(resistiverandomaccessmemory，rram)。其中rram具有讀寫速度快、非破壞性讀取、對於極端溫度的耐受性強，並可與現有cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)工藝整合等優點，被視為具有能夠取代現今所有儲存媒體潛力的新興存儲器技術。

技術實現要素：

本發明是有關於一種存儲裝置及電阻式存儲單元的操作方法。電阻式存儲單元可具有大且穩定的切換窗，可靠性佳。

根據本發明的一實施例，提出一種存儲裝置，其包括電阻式存儲單元。電阻式存儲單元包括第一電極、第二電極及存儲膜。存儲膜在第一電極與第二電極之間。第一電極包括底電極部分與從底電極部分向上延伸的壁電極部分。壁電極部分在存儲膜與底電極部分之間。壁電極部分與存儲膜的寬度是小於底電極部分的寬度。

根據本發明的另一實施例，提出一種存儲裝置，其包括電阻式存儲單 元。電阻式存儲單元包括第一電極、第二電極及存儲膜。存儲膜在第一電極與第二電極之間。第一電極包括氮化鈦。存儲膜包括氮氧化鈦。第二電極包括氮化鈦。

根據本發明的又另一實施例，提出一種電阻式存儲單元的操作方法，其包括以下步驟。寫入步驟，其包括以第一寬度的脈衝或第一次數的射擊寫入電阻式存儲單元。在寫入步驟之後，驗證電阻式存儲單元是否達到一預定電阻或電流。若電阻式存儲單元未達到預定電阻或電流，驗證第一寬度或第一次數是否達到最大寬度或最大次數。若第一寬度或第一次數未達到最大寬度或最大次數，以第二寬度的脈衝或第二次數的射擊寫入電阻式存儲單元。第二次數大於第一次數。第二寬度大於第一寬度。

為了對本發明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特舉優選實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下：

附圖說明

圖1繪示根據一實施例的電阻式存儲單元的剖面圖。

圖2a繪示根據一實施例的電阻式存儲單元的剖面圖。

圖2b繪示根據一實施例的電阻式存儲單元的剖面圖。

圖3至圖13繪示根據一些實施例的存儲裝置的製造方法。

圖14為根據一實施例的電阻式存儲單元在設定(set)狀態與重置(reset)狀態的電阻與機率的關係。

圖15為電阻式存儲單元在設定狀態與重置狀態的操作循環次數(cyclingcount)與存儲單元電阻(cellresistance)的關係。

圖16為電阻式存儲單元以增階型脈衝程序化(ispp)方法操作的結果。

圖17為電阻式存儲單元在重置狀態下寫入時序(writetiming)與電阻特性。

圖18為電阻式存儲單元在設定狀態下寫入時序與電阻特性。

圖19繪示根據一實施例的電阻式存儲單元的操作方法。

圖20顯示實施例與比較例的電阻式存儲單元的操作結果。

【符號說明】

102、102a、102b：第一電極

104：存儲膜

106：材料膜

108：第二電極

110：底電極部分

112：壁電極部分

128：底結構

130：半導體基底

131：電晶體

132：源/漏極

133：介電層

134：柵結構

135：柵介電層

136：導電層

137：柵電極層

138：硬屏蔽層

140：開口

142：犧牲層

144：導電層

270、272、274、276、278、280、282、284、286：步驟

h1、h2：高度

l1、l2：寬度

具體實施方式

此揭露內容的實施例提出了一種存儲裝置及電阻式存儲單元的操作方法。電阻式存儲單元可具有大且穩定的切換窗，可靠性佳。

需注意的是，本發明並非顯示出所有可能的實施例，未於本發明提出的其他實施方面也可能可以應用。再者，附圖上的尺寸比例並非按照實際產品等比例繪製。因此，說明書和圖示內容僅作敘述實施例之用，而非作為限縮本發明保護範圍之用。另外，實施例中的敘述，例如細部結構、工藝步驟和材料應用等等，僅為舉例說明之用，並非對本發明欲保護的範圍做限縮。實施例的步驟和結構的細節可在不脫離本發明的精神和範圍內根 據實際應用工藝的需要而加以變化與修飾。

根據實施例，電阻式存儲單元包括第一電極、第二電極及存儲膜，其中存儲膜在第一電極與第二電極之間。材料膜可在存儲膜與第二電極之間。實施例中可通過電阻式存儲單元的材料及結構設計達到優異的電性。

圖1繪示根據一實施例的電阻式存儲單元的剖面圖。電阻式存儲單元包括第一電極102、第一電極102上的存儲膜104、存儲膜104上的材料膜106、及材料膜106上的第二電極108。

一實施例中，材料膜106包括存儲材料的組成。實施例中，存儲膜104與材料膜106的存儲材料的組成包括具有不同電阻(高電阻狀態與低電阻狀態)的材料，其中電阻可通過提供至存儲膜104與材料膜106的存儲材料的偏壓改變。存儲膜104的組成可不同於材料膜106。一實施例中，舉例來說，電阻式存儲單元為電阻式隨機存取存儲器(rram、reram)，其中第一電極102包括氮化鈦(tin)，存儲膜104包括氮氧化鈦(tioxny)，材料膜106包括氧化鈦(tiox)，第二電極108包括氮化鈦，此材料設計使得電阻式存儲單元具有大的切換窗(switchingwindow)，且可靠度佳，例如存儲功能在250℃下維持3小時以上。

另一實施例中，材料膜106包括電極材料。第二電極108的材質可不同於材料膜106。一實施例中，舉例來說，電阻式存儲單元為電阻式隨機存取存儲器，其中第一電極102包括氮化鈦(tin)，存儲膜104包括氮氧化鈦(tioxny)，材料膜106包括鈦(ti)，第二電極108包括氮化鈦，此材料設計使得電阻式存儲單元具有大的切換窗，且可靠度佳，例如存儲功能在250℃下維持3小時以上。

一些實施例中，氧化鈦材料膜106可能是在沉積鈦材料膜106之後在大氣環境下氧化所造成的薄膜。一些實施例中，是對鈦材料膜106進行額外的氧化步驟而形成氧化鈦材料膜106。

本發明的電阻式存儲單元的材質並不限於上述所舉的例子。其他實施例中，第一電極102、第二電極108與材料膜106的電極材料可使用其他合適的導電材質，例如金屬或金屬氮化物，包括過渡金屬或其氮化物，例如鉭(ta)、氮化鉭(tan)、鉿(hf)、氮化鉿(hfn)等等。在各種實施例中，存儲膜104與材料膜106的存儲材料可使用其他合適的存儲材質， 例如應用於電阻式存儲材質的金屬氧化物或金屬氮氧化物。舉例來說，金屬氧化物包括含有過渡金屬的氧化物，例如氧化鉭(taox)、氧化鉿(hfox)、等等。舉例來說，金屬氮氧化物包括含有過渡金屬的氮氧化物，例如氮氧化鉭(taoxny)、氮氧化鉿(hfoxny)等等。

圖2a與圖2b繪示根據其它實施例的電阻式存儲單元的剖面圖，其與圖1的電阻式存儲單元的差異說明如下。第一電極102包括底電極部分110與從底電極部分110向上延伸的壁電極部分112。壁電極部分112在存儲膜104與底電極部分110之間。壁電極部分112與存儲膜104的寬度是小於底電極部分110的寬度，並可小於材料膜106與第二電極108的寬度。壁電極部分112與存儲膜104可具有實質上相同的寬度。材料膜106與第二電極108可具有實質上相同的寬度。實施例中，存儲膜104的高度h1小於第一電極102的高度h2。舉例來說，0＜h1/h2＜0.1。第一電極102與存儲膜104可構成一l形狀。實施例中，第一電極102構成l形狀的底電極部分110與壁電極部分112之間的夾角可介於45度至90度。

圖3至圖13繪示根據一些實施例的存儲裝置的製造方法。

請參照圖3，提供如圖所示的底結構128，其包括形成在半導體基底130上的電晶體131、介電層133與導電層136。半導體基底130可包括矽或其他合適的半導體材料。電晶體131包括源/漏極132與柵結構134。源/漏極132可包括以摻雜半導體基底130的方式所形成的重摻雜區，例如n+摻雜區。柵結構134可包括柵介電層135與門介電層135上的柵電極層137。柵介電層135可包括氧化物，例如氧化矽，或其它合適的介電材質。柵電極層137可包括多晶矽，或其它合適的導電材質。

穿過介電層133的導電層136可包括金屬插塞(plug)，電性連接至源/漏極132。介電層133可包括氧化物、氮化物、氮氧化物，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽，或其它合適的介電材質。導電層136可包括金屬，例如鎢，或其它合適的導電材質。一實施例中，圖3所示的底結構128可為進行化學機械研磨平坦化後的結構。

請參照圖4，於底結構128上形成硬屏蔽層138。一實施例中，硬屏蔽層138包括氮化矽(sin)。其他實施例中，硬屏蔽層138可使用其他合適的材質。一實施例中，舉例來說，硬屏蔽層138的厚度可為至例如

請參照圖5a，圖案化硬屏蔽層138以形成開口140。開口140角度並不限於如圖5a所示的90度夾角。其他實施例中，開口140角度可大於90度，如圖5b所示。

請參照圖6，形成第一電極102a在硬屏蔽層138的上表面，與開口140露出的硬屏蔽層138的側壁與介電層133及導電層136的上表面。一實施例中，舉例來說，第一電極102a的厚度可為至例如

請參照圖7，圖案化第一電極102a，以留下具有階梯形狀的第一電極102b，其覆蓋導電層136及鄰近導電層136的部分硬屏蔽層138與介電層133。通過此圖案化步驟，也露出了部分介電層133與鄰近介電層133的硬屏蔽層138。

請參照圖8，形成犧牲層142在硬屏蔽層138、第一電極102b上，與開口140中。一實施例中，犧牲層142可包括氧化物例如以沉積法形成的四乙氧基矽烷(teos)。其他實施例中，犧牲層142可使用其他合適的材質。

請參照圖9，移除犧牲層142與第一電極102b的上部分，留下開口140中的犧牲層142與具有l形狀的第一電極102。一實施例中，可利用化學機械研磨方法進行此移除步驟，其可設計停止在硬屏蔽層138上。

請參照圖10，對露出的第一電極102的上部分進行氧化，以形成氧化物存儲膜104。存儲膜104的高度(h1，圖2a、圖2b)可通過氧化工藝控制。氧化方法包括化學氣相沉積(cvd)方法或物理氣相沉積(pvd)方法。一實施例中，舉例來說，第一電極102包括氮化鈦(tin)，存儲膜104包括通過氧化步驟所形成的氮氧化鈦(tioxny)。

請參照圖11，形成材料膜106在存儲膜104、犧牲層142及硬屏蔽層138上。一實施例中，材料膜106的厚度可為至例如第二電極108形成在材料膜106上。一實施例中，第二電極108的厚度可為至例如

請參照圖12a，對犧牲層142、硬屏蔽層138、材料膜106、第二電極108進行圖案化步驟。

請參照圖12a與圖12b，電阻式存儲單元的第一電極102通過導電層 136電性連接至電晶體131的源/漏極132，例如電性連接至漏極。一實施例中，舉例來說，圖案化的材料膜106、第二電極108的寬度為實施例中，第一電極102的壁電極部分112的寬度l1小於導電層136的寬度l2。例如0＜l1/l2＜0.5。一實施例中，舉例來說，壁電極部分112的寬度l1是至例如導電層136的寬度l2是至例如

請參照圖13，形成導電層144在導電層136、第二電極108上。導電層144可包括金屬(例如m1)線路。

圖14為根據一實施例之存儲裝置(電阻式存儲單元)其設定(set)狀態與重置(reset)狀態的電阻(resistance)與機率(probability)的關係，其中顯示出電阻式存儲單元具有大的切換窗，即電阻差異大，因此可輕易分辨設定或重置的狀態。

在本發明中，發明人發現電阻式存儲單元(不限於本發明所述的電阻式存儲單元結構)在循環(cycling)操作之後，有電阻切換窗不穩定的問題(如圖15所示)，這會導致切換失效及可靠性降低。此外，在存儲器單元操作期間是難以監測到失效的單元。失效的問題並無法通過增階型脈衝程序化(incrementalsteppulseprogramming；ispp)方法(如圖16所示)解決。發明人利用所發現的寫入時序(writetiming)與電阻特性(如圖17的重置特性，或圖18的設定特性)發展出新的存儲裝置的操作方法，能用以監控電阻式存儲單元在循環操作後劣化的情況。

以下說明根據實施例的存儲裝置的操作方法，其例如能用以監控電阻式存儲單元的劣化情況或健康狀態。操作方法包括具有劣化偵測設計的算法，能夠提升電阻式存儲單元的可靠性。

圖19繪示根據一實施例的存儲單元陣列中電阻式存儲單元的操作方法。從步驟270開始。在步驟272中，載入寫入電阻式存儲單元的條件。

在步驟274中，執行設定步驟，包括設定電阻式存儲單元的寫入脈衝寬度或射擊(shot)次數。一實施例中，是先設定為第一寬度的脈衝或第一次數的射擊。舉例來說，n次射擊表示有n個寫入脈衝。

在步驟276中，執行寫入步驟，包括以在步驟274中設定的(第一)寬度的脈衝或(第一)次數的射擊寫入電阻式存儲單元。實施例中，在執 行寫入步驟276的過程中並未執行任何驗證步驟。舉例來說，在多次射擊之間並未執行任何驗證步驟。

在寫入步驟276之後，進行步驟278，執行驗證步驟，包括驗證經寫入後的電阻式存儲單元是否達到預定電阻或電流。若電阻式存儲單元未達到預定電阻或電流，則進行至步驟280，驗證(第一)寬度或(第一)次數是否達到最大寬度或最大次數。若在步驟280驗證出未達到最大寬度或最大次數，則進行至步驟282：提高寫入脈衝的寬度或射擊次數，也就是將寫入脈衝從第一寬度提高至第二寬度，或將射擊次數從第一次數提高至第二次數。然後以提高後所得的(第二)寬度或(第二)次數進行設定步驟274，再執行如圖19所示的流程。一實施例中，能利用虛框中的步驟280、步驟282偵測電阻式存儲單元的劣化情況。

在步驟278中，若驗證電阻式存儲單元達到預定電阻或電流，則進行至結束步驟284。此外，若在步驟280驗證出已達到最大寬度或最大次數，則進行至步驟286，標記寫入失效，並進行至結束步驟284。

圖20顯示實施例(以實線表示)與比較例(以虛線表示)的電阻式存儲單元的操作結果。實施例的操作方法包括如圖19所示的監測步驟280、282。比較例的操作步驟則省略步驟280、282。根據圖20可發現，實施例的操作方法能使電阻式存儲單元在循環操作之後仍維持穩定的電阻切換窗。

根據實施例的電阻式存儲單元具有大的切換窗，且可靠度佳。此外，根據實施例的操作方法能使電阻式存儲單元具有穩定的切換窗。

綜上所述，雖然本發明已以優選實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更改與修飾。因此，本發明的保護範圍當視權利要求所界定者為準。