非揮發(fā)性存儲器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種非揮發(fā)性存儲器。上述非揮發(fā)性存儲器包括一底電極，其具有一第一晶格常數(shù)；一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，設(shè)置于上述底電極上方，其具有一第二晶格常數(shù)；一頂電極，設(shè)置于上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層上；一分隔層，設(shè)置于上述底電極和上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層之間，其具有不同于上述第一晶格常數(shù)和上述第二晶格常數(shù)的一第三晶格常數(shù)。本發(fā)明可降低在同一晶圓不同晶片上的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的晶粒尺寸變異量，大幅提升元件的電阻轉(zhuǎn)換阻值、高電阻態(tài)對低電阻態(tài)的比值、元件耐久度等特性。
【專利說明】非揮發(fā)性存儲器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明系有關(guān)于一種存儲器元件，特別是有關(guān)于一種電阻式非揮發(fā)性存儲器。
【背景技術(shù)】
[0002]電阻式非揮發(fā)性存儲器(RRAM)因具有功率消耗低、操作電壓低、寫入抹除時(shí)間短、耐久度長、存儲時(shí)間長、非破壞性讀取、多狀態(tài)存儲、元件制造工藝簡單及可微縮性等優(yōu)點(diǎn)，所以成為新興非揮發(fā)性存儲器的主流。然而，以半導(dǎo)體制造工藝制作的習(xí)知電阻式非揮發(fā)性存儲器(RRAM)，會(huì)因?yàn)橥黄A上的不同晶片之間的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的晶粒尺寸無法縮小且變異量大，而造成例如電阻轉(zhuǎn)換(resistive switching, RS)阻值、高電阻態(tài)對低電阻態(tài)的比值、元件耐久度(endurance)等特性不佳的缺點(diǎn)。
[0003]習(xí)知技術(shù)會(huì)于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中加入摻質(zhì)以改善上述缺點(diǎn)。然而，上述方式會(huì)影響電阻式非揮發(fā)性存儲器的電阻轉(zhuǎn)換特性，例如增加操作電壓、增加操作電流、降低高電阻態(tài)對低電阻態(tài)的比值等缺點(diǎn)。[0004]因此，在此【技術(shù)領(lǐng)域】中，有需要一種非揮發(fā)性存儲器及其制造方法，以改善上述缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種非揮發(fā)性存儲器。本發(fā)明之一實(shí)施例提供一種非揮發(fā)性存儲器，包括一底電極，其具有一第一晶格常數(shù)；一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，設(shè)置于上述底電極上方，其具有一第二晶格常數(shù)；一頂電極，設(shè)置于上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層上；一分隔層，設(shè)置于上述底電極和上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層之間，其具有不同于上述第一晶格常數(shù)和上述第二晶格常數(shù)的一第三晶格常數(shù)。
[0006]本發(fā)明最終形成的非揮發(fā)性存儲器的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的晶格常數(shù)不會(huì)受下方底電極本身的晶格常數(shù)影響而使晶粒尺寸(grain size)變大，可降低在同一晶圓不同晶片上的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的晶粒尺寸變異量，大幅提升元件的電阻轉(zhuǎn)換(resistive switching, RS)阻值、高電阻態(tài)對低電阻態(tài)的比值、元件耐久度(endurance)等特性。
[0007]為使本發(fā)明能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下:【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的非揮發(fā)性存儲器的剖面示意圖。
[0009]主要元件符號說明:
[0010]500~非揮發(fā)性存儲器；
[0011 ] 200 基板；
[0012]202~絕緣層；
[0013]204~底電極；
[0014]206~分隔層；[0015]208~電阻轉(zhuǎn)態(tài)層；
[0016]210- 頂電極；
[0017]Τ1、Τ2、Τ3 ~厚度。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明實(shí)施例系提供一種非揮發(fā)性存儲器，例如為一電阻式非揮發(fā)性存儲器，其利用外加偏壓改變非揮發(fā)性存儲器的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的電阻值來達(dá)到存儲效應(yīng)。本發(fā)明實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器系于底電極和電阻轉(zhuǎn)態(tài)層之間插入一分隔層，使最終形成的非揮發(fā)性存儲器的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的晶格常數(shù)不會(huì)受下方底電極本身的晶格常數(shù)影響而使晶粒尺寸(grain size)變大。此方法可大幅提升元件高電阻存儲狀態(tài)與低電阻存儲狀態(tài)之間的電阻比值。
[0019]圖1系為本發(fā)明一實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器500的剖面示意圖。如圖1所示，本發(fā)明一實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器500系設(shè)置于基板200上，且藉由一絕緣層202與基板200隔開。在本發(fā)明之一實(shí)施例中，非揮發(fā)性存儲器500的主要兀件包括一底電極204,設(shè)置于絕緣層202上。一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208，設(shè)置于底電極204上方。一頂電極210，設(shè)置于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208上，以及一分隔層206，設(shè)置于底電極204和電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208之間。
[0020]在本發(fā)明之一實(shí)施例中，基板200可包括例如硅基板之半導(dǎo)體基板。絕緣層202可包括二氧化硅薄膜。在本發(fā)明之一實(shí)施例中，底電極204可為單層結(jié)構(gòu)或?yàn)閮蓪咏饘賹佣训傻膹?fù)合層結(jié)構(gòu)， 如圖1所示，在本實(shí)施例中，底電極204可為氮化鈦(TiN)，且其結(jié)晶取向?yàn)?1，I, D。電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208可包括二氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)、鉻摻雜的鈦酸鍶、鉻摻雜的鋯酸鍶、二氧化鋯薄膜。另外在本發(fā)明之一實(shí)施例中，頂電極212可包括鋁(Al)、鈦、氮化鈦或上述組合。
[0021]如圖1所不,分隔層206的一下表面214和一上表面212系分別接觸底電極204和電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208。值得注意的是，經(jīng)由選擇分隔層206的材質(zhì)，使分隔層206的晶格常數(shù)(Iatticeconstant)與底電極204的晶格常數(shù)不同。在本發(fā)明之一實(shí)施例中，分隔層206可包括例如二氧化鈦(TiO2)薄膜之一介電薄膜(或?yàn)橐唤饘傺趸锉∧?，或例如氮化鎢(WN)薄膜之一導(dǎo)電薄膜。另外，在本發(fā)明之一實(shí)施例中，分隔層206的厚度Tl系設(shè)計(jì)小于底電極204的厚度T2，且小于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的厚度T3。舉例來說，分隔層206的厚度Tl可介于5A和30A之間，底電極204的厚度T2可為2U0A而電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的厚度T3可大于IOOA在本發(fā)明之一實(shí)施例中，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208與分「R層206的厚度比(T3:T1)可介于3:1和20:1之間。
[0022]接著將進(jìn)一步說明本發(fā)明一實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器500之制造方法。首先，提供一基板200,例如一娃基板,并對其進(jìn)行RCA(Radio Corporation ofAmerica)清洗制造工藝。之后，可利用高溫爐管制造工藝，于硅基板200上成長一絕緣層202，絕緣層202系用來隔絕與基板200之間的漏電流。接著,可利用電子束真空蒸鍍(E-beam evaporation)或派鍍法(sputtering)，于絕緣層202上形成一底電極204，其具有一第一晶格常數(shù)。
[0023]接下來系描述本發(fā)明實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器500的分隔層206的形成方式?？衫没瘜W(xué)氣相沉積法(CVD)、電漿增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、原子層沉積法(ALD)或派鍍法(sputtering),于底電極204上形成一分隔層206。在本發(fā)明之一實(shí)施例中，分隔層206的厚度Tl系設(shè)計(jì)小于底電極204的厚度T2。本發(fā)明之一實(shí)施例中，此時(shí)分隔層206的結(jié)晶狀態(tài)可為非晶態(tài)(amorphous)或結(jié)晶態(tài)(crystalline)。
[0024]接著，可利用原子層沉積法(ALD)，于分隔層206上成長一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208。在本發(fā)明之一實(shí)施例中，分隔層206的厚度Tl系設(shè)計(jì)小于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的厚度T3。形成電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208之后，分隔層206的一下表面214和一上表面212系分別接觸底電極204和電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208。此時(shí)電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的結(jié)晶狀態(tài)可為非晶態(tài)(amorphous)。
[0025]形成電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208之后，可對上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208進(jìn)行一退火制造工藝，以形成退火后之電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208。同時(shí)，進(jìn)行上述退火制造工藝之后也會(huì)形成退火后之分隔層206。上述退火后之分隔層206和電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的結(jié)晶狀態(tài)皆為結(jié)晶態(tài)(crystalline)，其中電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208具有一第二晶格常數(shù)且分隔層206具有一第三晶格常數(shù)。在本發(fā)明之一實(shí)施例中，退火后之分隔層206的第三晶格常數(shù)不同于退火后之電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的第二晶格常數(shù)，也不同于底電極204的第一晶格常數(shù)。在本發(fā)明之一實(shí)施例中，退火后之電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的第二晶格常數(shù)也不同于底電極204的第一晶格常數(shù)。本發(fā)明之一實(shí)施例中，上述退火制造工藝可包括快速高溫退火制造工藝(rapid thermal annealing, RTA)。
[0026]值得注意的是，由于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208和底電極204之間會(huì)被一層分隔層206隔開，使電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208不會(huì)與底電極204直接接觸。并且，系選擇分隔層206的材質(zhì)，使其晶格常數(shù)不同于底電極204和電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的晶格常數(shù)。因此，在進(jìn)行上述退火制造工藝使非晶態(tài)電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)的期間，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的結(jié)晶不會(huì)沿著底電極204的結(jié)晶取向(例如氮化鈦(TiN)的結(jié)晶取向?yàn)?1，1，1))排列，因而不會(huì)使電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的晶粒尺寸變大。所以，相較于習(xí)知電阻式非揮發(fā)性存儲器之直接形成于底電極上的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，本發(fā)明實(shí)施例之退火后的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的晶粒尺寸會(huì)小于習(xí)知電阻式非揮發(fā)性存儲器之電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的晶粒尺寸，具有較佳的電阻轉(zhuǎn)態(tài)效果。
[0027]最后，可利用電子束蒸鍍法并藉由金屬光罩定義上電極的面積和形成位置，以于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208上形成一頂電極212 (可視為上電極212)。鋁(Al)、鈦、氮化鈦或上述組合。經(jīng)過上述制造工藝之后，形成本發(fā)明一實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器500。在本發(fā)明其他實(shí)施例中，上述退火制造工藝也可于形成頂電極212之后進(jìn)行。
[0028]當(dāng)對本發(fā)明實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器500施加正(負(fù))直流偏壓時(shí)，電流會(huì)隨著電壓增加而增加，當(dāng)電流上升至限流值，其對應(yīng)的偏壓為形成電壓(forming voltage),通常需要較大的偏壓，此時(shí)非揮發(fā)性存儲器500的電阻狀態(tài)由原始狀態(tài)(original state ；0-state)轉(zhuǎn)換到低電阻狀態(tài)(low resistance state ;LRS,或可稱為 ON-state)。接著，對本發(fā)明實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器500施予一抹除電壓(turn-off voltage),當(dāng)抹除電壓至一適當(dāng)值時(shí)元件電流開始下降，當(dāng)抹除電壓至一極限值時(shí)電流急遽下降至較低的電流值，此時(shí)非揮發(fā)性存儲器500的電阻狀態(tài)由低電阻狀態(tài)之電流轉(zhuǎn)態(tài)到高電阻狀態(tài)(highresistance state ;HRS,或可稱為0FF_state)。接著,對本發(fā)明實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器500施予一寫入電壓(turn-on voltage)時(shí)，電流會(huì)隨著電壓增加而增加，當(dāng)寫入電壓至一極限值時(shí)到達(dá)電流限流值，此時(shí)非揮發(fā)性存儲器500的電阻狀態(tài)由高電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)換至低電阻狀態(tài)，且此電阻轉(zhuǎn)換特性可以多次重復(fù)操作。另外，可對電阻狀態(tài)為高電阻狀態(tài)(HRS)或低電阻狀態(tài)(LRS)之非揮發(fā)性存儲器500施予小于抹除電壓和寫入電壓之一讀取電壓，以讀取非揮發(fā)性存儲器500在不同電阻狀態(tài)下之電流值來得知非揮發(fā)性存儲器500的存儲狀態(tài)。亦即我們可以利用控制施予偏壓的大小使本發(fā)明實(shí)施例之非揮發(fā)性存儲器500產(chǎn)生電阻的轉(zhuǎn)換以達(dá)到存儲目的，在無外加電源供應(yīng)下，高低電阻態(tài)皆能維持其存儲態(tài)，可用于非揮發(fā)性存儲器之應(yīng)用。
[0029]本發(fā)明實(shí)施例系提供一種非揮發(fā)性存儲器，例如一電阻式非揮發(fā)性存儲器，其于底電極和電阻轉(zhuǎn)態(tài)層之間插入一分隔層，使電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208不會(huì)與底電極204直接接觸。并且，系選擇分隔層206的材質(zhì)，使其晶格常數(shù)不同于底電極204和電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的晶格常數(shù)。另外，分隔層206的厚度系設(shè)計(jì)小于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的厚度。使最終形成的非揮發(fā)性存儲器的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的晶格常數(shù)不會(huì)受下方底電極本身的晶格常數(shù)影響而使晶粒尺寸(grainsize)變大。并且，上述方法可降低在同一晶圓不同晶片上的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的晶粒尺寸變異量，因而大幅提升元件的電阻轉(zhuǎn)換(resistive switching, RS)阻值、高電阻態(tài)對低電阻態(tài)的比值、元件耐久度(endurance)等特性。
[0030] 本發(fā)明雖以各種實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明之保護(hù)范圍當(dāng)視后以本發(fā)明權(quán)利要求范圍所界定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的非揮發(fā)性存儲器包括: 一底電極，其具有一第一晶格常數(shù)； 一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，設(shè)置于所述的底電極上方，其具有一第二晶格常數(shù)； 一頂電極，設(shè)置于所述的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層上；以及 一分隔層，設(shè)置于所述的底電極和所述的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層之間，其具有不同于所述的第一晶格常數(shù)和所述的第二晶格常數(shù)的一第三晶格常數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的第三晶格常數(shù)不同于所述的第一晶格常數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的非揮發(fā)性存儲器更包括: 一基板，設(shè)置于所述的底電極的下方；以及 一絕緣層，設(shè)置于所述的底電極和所述的基板之間。
4.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的分隔層的一下表面和一上表面系分別接觸所述的底電極和所述的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層。
5.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的底電極的結(jié)晶取向?yàn)椴煌谒龅碾娮柁D(zhuǎn)態(tài)層的結(jié)晶取向。
6.如權(quán)利要求1所述 的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層為二氧化鉿、氧化鋁、鉻摻雜的鈦酸鍶、鉻摻雜的鋯酸鍶、二氧化鋯薄膜。
7.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的分隔層包括一介電薄膜或一導(dǎo)電薄膜。
8.如權(quán)利要求7所述的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的介電薄膜為二氧化鈦薄膜。
9.如權(quán)利要求7所述的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的導(dǎo)電薄膜為氮化鎢薄膜。
10.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的厚度大于所述的分隔層的厚度。
11.如權(quán)利要求10所述的非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層與所述的分隔層的厚度比值介于3:1和20:1之間。
【文檔編號】H01L45/00GK103904212SQ201210574551
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月26日
【發(fā)明者】張文岳 申請人:華邦電子股份有限公司