電阻式存儲器及其製造方法與流程
2024-03-29 02:43:05
本發明涉及一種存儲器及其製造方法，尤其涉及一種電阻式存儲器及其製造方法。
背景技術：
近年來電阻式存儲器(諸如電阻式隨機存取存儲器(Resistive Random Access Memory，RRAM))的發展極為快速，是目前最受矚目的未來存儲器的結構。由於電阻式存儲器具備低功耗、高速運作、高密度以及相容於互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工藝技術的潛在優勢，因此非常適合作為下一世代的非揮發性存儲器元件。
現行的電阻式存儲器通常包括相對配置的上電極與下電極以及位於上電極與下電極之間的介電層。當對現行的電阻式存儲器進行操作前，首先需進行形成(forming)的程序，對電阻式存儲器施加較高的正偏壓，使得介電層中產生氧空缺(oxygen vacancy)或氧離子(oxygen ion)而形成導電燈絲(filament)。在進行重置(reset)操作時，對電阻式存儲器施加負偏壓，使得導電燈絲斷開。此時，鄰近上電極處的氧空缺被重新填滿(或者氧離子脫離電流路徑)，使得燈絲在鄰近上電極處斷開。另一方面，當對現行的電阻式存儲器進行設定(set)操作時，對電阻式存儲器施加正偏壓，使得介電層中再次產生氧空缺或氧離子以重新形成導電燈絲。
由於現有的RRAM的工藝是通過蝕刻工藝來定義出存儲器單元(cell)，在蝕刻工藝中的等離子步驟或是溼式清潔步驟中，容易在存儲器單元的側壁上形成懸浮鍵(dangling bond)。在進行重置的過程中，上述懸浮鍵會與氧空缺或氧離子結合，進而導致重置失敗(reset failure)。因此，如何提供一種電阻式存儲器及其製造方法，其可保護存儲器單元的側壁，以避免重置失敗，進而提升高溫數據保持能力(High-temperature data retention，HTDR)將成為重要的一門課題。
技術實現要素：
本發明提供一種電阻式存儲器及其製造方法，其可保護存儲器單元的側壁，以避免重置失敗，進而提升高溫數據保持能力。
本發明提供一種電阻式存儲器包括：第一電極、第二電極、可變電阻層、氧交換層、以及保護層。第一電極與第二電極相對設置。可變電阻層配置於第一電極與第二電極之間。氧交換層配置於可變電阻層與第二電極之間。保護層至少配置於氧交換層的側壁上。
本發明提供一種電阻式存儲器的製造方法，其步驟如下。形成相對配置的第一電極與第二電極。形成可變電阻層於第一電極與第二電極之間。形成氧交換層於可變電阻層與第二電極之間。形成保護層，其至少覆蓋氧交換層的側壁。
基於上述，本發明通過將氧交換層填入第一介電層中的開口中，使得蝕刻工藝中的等離子步驟或是溼式清潔步驟不會損害氧交換層的側壁，進而改善氧交換層的側壁的平整度。另外，本發明通過具有高介電常數的保護層覆蓋氧交換層的側壁，其不僅能保護氧交換層的側壁，還能用以提供氧至氧交換層，並將燈絲局限在氧交換層的中心，以增加電流密度，進而提升高溫數據保持能力。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合附圖作詳細說明如下。
附圖說明
圖1A至圖1I是本發明的一實施例的電阻式存儲器的製造流程的剖面示意圖。
附圖標記說明：
10：開口；
100：電阻式存儲器；
102、124：介電層；
104：介層窗；
104a：插塞；
104b：阻擋層；
106、106a：第一電極；
108、108a：可變電阻層；
110、110a、110b：第一介電層；
112、112a：保護層；
114、114a：氧交換層；
116：阻擋層；
118、118a：第二電極；
120：存儲器單元；
122：金屬氧化層。
具體實施方式
參照本實施例的附圖以更全面地闡述本發明。然而，本發明也可以各種不同的形式體現，而不應限於本文中所述的實施例。圖式中的層與區域的厚度會為了清楚起見而放大。相同或相似的參考號碼表示相同或相似的元件，以下段落將不再一一贅述。
圖1A至圖1I是本發明的一實施例的電阻式存儲器的製造流程的剖面示意圖。
請參照圖1A，形成介層窗104於介電層102中。詳細地說，介層窗104的形成方法可例如是先在介電層102中形成介層窗開口(未示出)。然後，共形形成阻擋層104b於介層窗開口中。再將插塞104a填入該介層窗開口中，使得阻擋層104b配置於介電層102與插塞104a之間。在一實施例中，插塞104a與阻擋層104b可視為介層窗104。雖然圖1A中僅示出一個介層窗，但本發明不限於此，在其他實施例中，介層窗的數量可依照需求來進行調整。在一實施例中，插塞104a的材料包括金屬材料，金屬材料可例如是鎢，其形成方法可例如是化學氣相沉積法。阻擋層104b的材料可例如是氮化鎢、氮化鈦、氮化鉭或其組合，其形成方法例如是化學氣相沉積法。介電層102的材料可包括氧化矽、氮化矽或其組合，其形成方法可例如是化學氣相沉積法。
然後，依序形成第一電極106、可變電阻層108以及第一介電層110於介電層102上。第一電極106的材料可包括氮化鈦(TiN)、鉑(Pt)、銥(Ir)、 釕(Ru)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、鋁(Al)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈷(Co)、鐵(Fe)、釓(Y)、錳(Mo)或其組合，其形成方法可例如是物理氣相沉積法或化學氣相沉積法。可變電阻層108的材料可包括氧化鉿(可例如是HfO或HfO2等)、氧化鑭、氧化釓、氧化釔、氧化鋯、氧化鈦、氧化鉭、氧化鎳、氧化鎢、氧化銅、氧化鈷、氧化鐵、氧化鋁或其組合，其形成方法例如是化學氣相沉積法。第一介電層110的材料可包括氧化矽、氮化矽或其組合，其形成方法可例如是原子層沉積法(Atomic Layer Deposition，ALD)或化學氣相沉積法。
請參照圖1B，形成開口10於第一介電層110中，其中開口10暴露可變電阻層108的頂面。開口10對應於介層窗104，其可用以定義後續存儲器單元120的區域(如圖1I所示)。
請參照圖1C，共形形成保護層112於介電層102上。保護層112覆蓋第一介電層110a的頂面以及開口10的表面。在一實施例中，保護層112的材料包括高介電常數材料。高介電常數材料可包括金屬氧化物，所述金屬氧化物可例如是氧化鉿、氧化鑭、氧化釓、氧化釔、氧化鋯、氧化鈦、氧化鉭、氧化鎳、氧化鎢、氧化銅、氧化鈷、氧化鐵、氧化鋁或其組合。保護層112的形成方法可例如是原子層沉積法或化學氣相沉積法，其厚度可介於0.3nm至2nm之間。
請參照圖1D，形成氧交換層114於保護層112上。氧交換層114填入開口10且覆蓋保護層112的表面，使得保護層112位於氧交換層114與第一介電層110a之間。氧交換層114的材料可包括鈦(Ti)、鉭(Ta)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鉑(Pt)、鋁(Al)或其組合，其形成方法可例如是物理氣相沉積法或化學氣相沉積法。值得注意的是，本實施例可通過將氧交換層114填入開口10，以避免蝕刻工藝中的等離子步驟或是溼式清潔步驟損害氧交換層114的側壁，進而改善氧交換層114的側壁的平整度，避免懸浮鍵的產生。因此，本實施例可避免重置失敗並提升高溫數據保持能力。
請參照圖1E，進行平坦化工藝，移除部分氧交換層114，以暴露保護層112的頂面。在一實施例中，平坦化工藝可例如是回蝕刻工藝(Etch back)或化學機械硏磨工藝(CMP)。
請參照圖1F，形成阻擋層116於氧交換層114a上。在一實施例中，阻 擋層116的材料包括金屬氧化物。在另一實施例中，阻擋層116的材料可包括氮氧化鈦、氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯或其組合。以氮氧化鈦為例，可進行氮化處理，使得氮氧化鈦僅形成於氧交換層114a的頂面上。另一方面，以氧化鋁為例，可進行沉積處理，使得氧化鋁不僅覆蓋氧交換層114a的頂面，還可覆蓋保護層112的頂面(未示出)。值得注意的是，在進行設定或重置時，阻擋層116可防止較大電流流經氧交換層114a時所導致燈絲不均勻的現象。
請參照圖1G，形成第二電極118於保護層112與阻擋層116上。第二電極118的材料可包括氮化鈦(TiN)、鉑(Pt)、銥(Ir)、釕(Ru)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、鋁(Al)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈷(Co)、鐵(Fe)、釓(Y)、錳(Mo)或其組合，其形成方法可例如是物理氣相沉積法或化學氣相沉積法。
請參照圖1H，進行圖案化工藝，移除部分第二電極118、部分保護層112、部分第一介電層110a、部分可變電阻層108以及部分第一電極106，以暴露介電層102的頂面，進而形成存儲器單元120。
請參照圖1I，共形形成金屬氧化層122於存儲器單元120的頂面與側壁以及介電層102的頂面(未示出)。接著，毯覆性的形成介電層124於金屬氧化層122上(未示出)。然後，再以第二電極118a為停止層進行一平坦化工藝以移除部分金屬氧化層122與部分介電層124，以露出第二電極118a的頂面。在一實施例中，金屬氧化層122的材料可包括氧化鉿、氧化鑭、氧化釓、氧化釔、氧化鋯、氧化鈦、氧化鉭、氧化鎳、氧化鎢、氧化銅、氧化鈷、氧化鐵、氧化鋁或其組合，其形成方法可例如是原子層沉積法或化學氣相沉積法。介電層124的材料可包括氧化矽、氮化矽或其組合，其形成方法可例如是化學氣相沉積法。
請繼續參照圖1I，本實施例提供一種電阻式存儲器100包括介電層102、介層窗104、金屬氧化層122、介電層124以及存儲器單元120。介層窗104配置在介電層102中。存儲器單元120配置在介層窗104上。介電層124配置在存儲器單元120旁。金屬氧化層122配置在介電層124與存儲器單元120以及介電層124與介電層102之間。
存儲器單元120包括：第一電極106a、第二電極118a、可變電阻層108a、第一介電層110b、氧交換層114a、阻擋層116以及保護層112a。第一電極 106a與第二電極118a相對設置。可變電阻層108a配置於第一電極106a與第二電極118a之間。氧交換層114a配置於可變電阻層108a與第二電極118a之間。第一介電層110b配置於氧交換層114a旁，且配置於可變電阻層108a上。阻擋層116配置於氧交換層114a與第二電極118a之間。在本實施例中，保護層112a不僅配置於氧交換層114a的側壁上，還延伸至氧交換層114a與可變電阻層108a之間以及第一介電層110b的頂面。從另一方面來看，保護層112a也配置於第一介電層110b與氧交換層114a之間。
值得一提的是，由於本實施例是通過將氧交換層114填入開口10，故不會受蝕刻工藝中的等離子步驟或是溼式清潔步驟損害氧交換層114的側壁，可避免氧交換層114a的側壁形成懸浮鍵，進而減少重置失敗的機率。另一方面，本實施例的保護層112a可用以提供氧至氧交換層114a。換言之，在進行設定時，氧空缺或氧離子的密度將更容易控制在氧交換層114a的中心(也即將燈絲局限在氧交換層114a的中心)，因此，其可增加電流密度，進而提升高溫數據保持能力。
此外，本實施例的第一介電層110b也配置於氧交換層114a旁，其可將電場更集中在氧交換層114a的中心，藉此產生較集中的燈絲，進而提升高溫數據保持能力。
綜上所述，本發明通過將氧交換層填入第一介電層中的開口中，使得蝕刻工藝中的等離子步驟或是溼式清潔步驟不會損害氧交換層的側壁，進而改善氧交換層的側壁的平整度。另外，本發明通過具有高介電常數的保護層覆蓋氧交換層的側壁，其不僅能保護氧交換層的側壁，還能用以提供氧至氧交換層，並將燈絲局限在氧交換層的中心，以增加電流密度，進而提升高溫數據保持能力。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。