本發(fā)明是關(guān)于電阻式隨機(jī)存取存儲器(RRAM)裝置，且特別關(guān)于RRAM裝置的堆疊結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

電阻式隨機(jī)存取存儲器(RRAM)裝置具有功率消耗低、操作電壓低、寫入抹除時間短、耐久度長、存儲時間長、非破壞性讀取、多狀態(tài)存儲、元件工藝簡單、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。RRAM裝置的基本結(jié)構(gòu)為底電極、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層、及頂電極構(gòu)成的金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal，MIM)疊層結(jié)構(gòu)，且RRAM裝置其電阻轉(zhuǎn)換(resistive switching，RS)阻值特性為元件的重要特性。舉例來說，在施加寫入電壓至RRAM裝置時，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中的氧原子將遷移至頂電極，達(dá)成電阻轉(zhuǎn)換的效果。然而頂電極中的氧原子可能回擴(kuò)散至電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，甚至逃逸出頂電極而造成RRAM裝置失效。

綜上所述，目前亟需新的RRAM裝置及其制造方法，以改善上述缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明一實(shí)施例提供的電阻式隨機(jī)存取存儲器裝置，包括：底電極；電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，設(shè)置于底電極上；可氧化層，設(shè)置于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層上；第一氧擴(kuò)散阻障層，位于可氧化層與電阻轉(zhuǎn)態(tài)層之間；以及第二氧擴(kuò)散阻障層，位于可氧化層上。

本發(fā)明實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲器裝置，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中的在施加寫入電壓至RRAM裝置時，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中的氧原子可能回擴(kuò)散至電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，甚至逃逸出頂電極而造成RRAM裝置失效的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中，RRAM裝置的剖視圖。

圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例中，RRAM裝置的剖視圖。

附圖標(biāo)號：

200 MIM結(jié)構(gòu)

202 底電極接觸插塞

204 頂電極接觸插塞

206 底電極

208 電阻轉(zhuǎn)態(tài)層

209 第一氧擴(kuò)散阻障層

210 可氧化層

211 第二氧擴(kuò)散阻障層

211a、211c 氮化鈦層

211b 氮氧化鈦層、氧化鋁層

250 半導(dǎo)體基板

252、254 層間介電層

256 晶體管

500 RRAM裝置

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一實(shí)施例提供非揮發(fā)性存儲器如電阻式隨機(jī)存取存儲器(RRAM)裝置。在已知RRAM裝置中，因施加電壓而自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層遷移至頂電極中的氧，可能會向下回擴(kuò)散至電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，或向上逃逸出頂電極。上述頂電極中氧擴(kuò)散/逃逸的現(xiàn)象會使RRAM裝置失效。為克服上述氧擴(kuò)散/逃逸的問題，本發(fā)明提供新穎的RRAM堆疊結(jié)構(gòu)。

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中，RRAM裝置500的剖視圖。如圖1所示，RRAM裝置500可設(shè)置于半導(dǎo)體基板250上。在一實(shí)施例中，半導(dǎo)體基板250可為硅基板。RRAM裝置500的主要元件包括底電極接觸插塞202設(shè)置于半導(dǎo)體基板250上、底電極206設(shè)置于底電極插塞202上且接觸底電極插塞202、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208設(shè)置于底電極206上、第一氧擴(kuò)散阻障層209設(shè)置于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208上、可氧化層210設(shè)置于第一氧擴(kuò)散阻障層(diffusion barrier layer)209上、第二氧擴(kuò)散阻障層211設(shè)置于可氧化層210上、以及頂電極接觸插塞204設(shè)置于第二氧擴(kuò)散阻障層211上且接觸第二氧擴(kuò)散阻障層211。

在一實(shí)施例中，底電極接觸插塞202和頂電極接觸插塞204的材質(zhì)可為鎢(W)。在一實(shí)施例中，底電極206的材質(zhì)可為鎢、鉑、鋁、鈦、氮化鈦、或上述組合，且其厚度介于10nm至100nm之間。若底電極206的厚度過薄，則可能對下方層狀物的粗糙度過份敏感。若底電極206的厚度過厚，則可能改變結(jié)晶相關(guān)的微結(jié)構(gòu)。在一實(shí)施例中，可氧化層210的材質(zhì)可為鈦，且其厚度介于10nm至50nm之間。若可氧化層210的厚度過薄，則可能自電阻轉(zhuǎn)換態(tài)層208接收氧并氧化，而無法以低電壓操作。若可氧化層210的厚度過厚，則可能自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層接收過多氧，使電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208失去轉(zhuǎn)態(tài)能力。在一實(shí)施例中，底電極206和可氧化層210的形成方法可為電子束真空蒸鍍(E-beam evaporation)、濺射法(sputtering)、或物理氣相沉積(PVD)。

在一實(shí)施例中，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的材質(zhì)包括氧化鉿、氧化鈦、氧化鎢、氧化鉭、氧化鋯、或上述的組合，且其厚度介于5nm至10nm之間。若電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的厚度過薄，則電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的漏電流可能過大而無法轉(zhuǎn)態(tài)。若電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的厚度過厚，則難以作為電阻轉(zhuǎn)態(tài)單元。在一實(shí)施例中，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的形成方法可為原子層沉積(ALD)。

在一實(shí)施例中，夾設(shè)于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208與可氧化層210之間的第一氧擴(kuò)散阻障層209為氧化鋁，且第一氧擴(kuò)散阻障層209的厚度介于0.3nm至0.6nm之間。若第一氧擴(kuò)散阻障層209過薄，則無法有效避免自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208遷移至可氧化電層210的氧，在未施加電壓的狀態(tài)下回擴(kuò)散至電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208的問題。若第一氧擴(kuò)散阻障層209過厚，則會大幅增加整個MIM結(jié)構(gòu)200的電阻而增加RRAM的驅(qū)動電壓，甚至使RRAM失效。在一實(shí)施例中，第一氧擴(kuò)散阻障層209的形成方法為ALD。

在一實(shí)施例中，夾設(shè)于可氧化層210與頂電極接觸插塞204之間的第二氧擴(kuò)散阻障層211為雙層結(jié)構(gòu)，比如氮氧化鈦層211b位于氮化鈦層211a下，如圖1所示。在此實(shí)施例中，氮氧化鈦層211b的厚度介于5nm至15nm之間，而氮化鈦層211a的厚度介于10nm至20nm之間。若氮氧化鈦層的厚度過薄，則無法有效避免自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208遷移至可氧化層210的氧，在未施加電壓的狀態(tài)下向上逃逸出可氧化層210的問題。若氮氧化鈦層的厚度過厚，則會大幅增加整個MIM結(jié)構(gòu)200的電阻而增加RRAM的驅(qū)動電壓，甚至使RRAM失效。在另一實(shí)施例中，另一氮化鈦層211c位于氮氧化鈦層211b下，如圖2所示。若氮氧化鈦層下的氮化鈦層過厚，則會氮氧化鈦層與可氧化層210之間的距離過遠(yuǎn)，而無法避免可氧化層210中的氧向上逃逸的問題，且會使工藝難以進(jìn)行(需刻蝕較厚的氮化鈦層)。在一實(shí)施例中，氮氧化鈦層之上的氮化鈦層，與氮氧化鈦層之下的氮化鈦層具有相同厚度。在一實(shí)施例中，氮氧化鈦層中的鈦、氧、與氮的摩爾比介于4:0.04:1至4:1:3之間。若氧的比例過低，則無法避免上述氧逃逸的問題。若氧的比例過高，則會大幅增加整個MIM結(jié)構(gòu)200的電阻而增加RRAM裝置的驅(qū)動電壓，甚至使RRAM裝置失效。在一實(shí)施例中，氮化鈦層與氮氧化鈦層的形成方法可為電子束真空蒸鍍、濺射法、PVD、或ALD。在此實(shí)施例中，第二氧擴(kuò)散阻障層211中最上層的氮化鈦層211a可作為MIM結(jié)構(gòu)200的頂電極。

在另一實(shí)施例中，第二氧擴(kuò)散阻障層211為雙層結(jié)構(gòu)，比如位于氮化鈦層211a下的氧化鋁層211b，如圖1所示。在此實(shí)施例中，氧化鋁層的厚度介于0.3nm至0.6nm之間，而氮化鈦層的厚度介于10nm至20nm之間。若的氧化鋁層過薄，則無法有效避免自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208遷移至可氧化層210的氧，在未施加電壓的狀態(tài)下向上逃逸出可氧化層210的問題。若氧化鋁層的厚度過厚，則會大幅增加整個MIM結(jié)構(gòu)200的電阻而增加RRAM裝置的驅(qū)動電壓，甚至使RRAM裝置失效。在一實(shí)施例中，氮化鈦層的形成方法可為電子束真空蒸鍍、濺射法、或PVD，而氧化鋁層的形成方法可為PVD或ALD。在一實(shí)施例中，第二氧擴(kuò)散阻障層211的頂部的氮化鈦層211a可作為MIM結(jié)構(gòu)200的頂電極。

上述底電極206、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208、第一氧擴(kuò)散阻障層209、可氧化層210、與第二氧擴(kuò)散阻障層211共同構(gòu)成MIM結(jié)構(gòu)200。

本發(fā)明實(shí)施例的RRAM裝置500的操作方式如下述。對RRAM裝置500的頂電極接觸插塞204施加正(負(fù))偏壓，以轉(zhuǎn)換電阻式隨機(jī)存取存儲器裝置500的電阻狀態(tài)(resistance state)。當(dāng)對RRAM裝置500的頂電極接觸插塞204施加正(負(fù))直流偏壓時，電流會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)，且形成電壓通常具有較大值。此時RRAM裝置500的電阻狀態(tài)由原始狀態(tài)(original state；O-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)施例的RRAM裝置500的頂電極接觸插塞204施予一抹除電壓(turn-off voltage)，當(dāng)抹除電壓至一適當(dāng)值時元件電流開始下降，當(dāng)抹除電壓至一極限值時電流急速下降至較低的電流值，此時RRAM裝置500的電阻狀態(tài)由低電阻狀態(tài)的電流轉(zhuǎn)態(tài)到高電阻狀態(tài)(high resistance state；HRS，或可稱為OFF-state)。

接著，對RRAM裝置500的頂電極接觸插塞204施予開啟電壓(turn-on voltage)時，電流會隨著電壓增加而增加，當(dāng)開啟電壓至一極限值時到達(dá)電流限流值，此時RRAM裝置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)的RRAM裝置500施予小于抹除電壓和寫入電壓的讀取電壓，以讀取RRAM裝置500在不同電阻狀態(tài)下的電流值，得知RRAM裝置500的存儲狀態(tài)。換言之，通過調(diào)整施加至RRAM裝置500的偏壓大小，可轉(zhuǎn)換RRAM裝置500的電阻以達(dá)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)，即RRAM裝置500可用于非揮發(fā)性存儲器。

接著將進(jìn)一步說明本發(fā)明一實(shí)施例的RRAM裝置500的制造方法。首先，提供半導(dǎo)體基板250，如硅基板，并對其進(jìn)行濕式清洗工藝。接著形成晶體管256于半導(dǎo)體基板250上。值得注意的是，圖式中的晶體管256僅用以舉例而非局限本發(fā)明。然后，可利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)或等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，毯覆性地沉積層間介電層252。然后，可利用例如包括光刻法和非等向刻蝕法的圖案化工藝，形成開口于層間介電層252中，以定義底電極接觸插塞202的形成位置，且底電極接觸插塞202接觸晶體管256(如晶體管256的漏極)。接著可利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，沉積阻障層如鈦或氮化鈦(TiN)于開口側(cè)壁，再將導(dǎo)電材料如鎢(W)填入開口中，再進(jìn)行平坦化工藝如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，以移除層間介電層252的頂面上多余的導(dǎo)電材料，以形成底電極接觸插塞202于開口中。接著，可利用電子束真空蒸鍍、濺射法、或PVD，形成底電極層于層間介電層252上。之后可利用原子層沉積法(ALD)，于底電極層上成長電阻轉(zhuǎn)態(tài)層。在一實(shí)施例中，可在形成電阻轉(zhuǎn)態(tài)層之后對上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層進(jìn)行退火工藝如快速熱退火工藝(rapid thermal annealing，RTA)。接著，可利用ALD形成第一氧擴(kuò)散阻障層(如氧化鋁)于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層上。接著可采用電子束真空蒸鍍法、濺射法、PVD、或ALD，形成可氧化層于第一氧擴(kuò)散阻障層上。接著可采用電子束真空蒸鍍法、濺射法、PVD、或ALD，形成第二氧擴(kuò)散阻障層于可氧化層上。接著圖案化第一氧擴(kuò)散阻障層、可氧化層、第一氧擴(kuò)散阻障層、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層、及底電極層，以定義第一氧擴(kuò)散阻障層211、可氧化層210、第一氧擴(kuò)散阻障層209、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層208、及底電極206如MIM結(jié)構(gòu)200。

之后，可再利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)或等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，毯覆性地沉積層間介電層254。然后，可利用例如包括光刻法和非等向性刻蝕法的圖案化工藝，于層間介電層254中形成開口，定義出頂電極接觸插塞204的形成位置，且開口露出部分可氧化層210。接著，可利用CVD沉積阻障層如鈦或氮化鈦(TiN)于開口側(cè)壁，再于將導(dǎo)電材料如鎢(W)填入開口中，再進(jìn)行平坦化工藝如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，以移除層間介電層254的頂面上多余的導(dǎo)電材料，并形成頂電極接觸插塞204于開口中。可以理解的是，本申請案的RRAM裝置500的形成方法包含但不限于上述方法。

雖然本發(fā)明已以數(shù)個實(shí)施例揭露于上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本技術(shù)領(lǐng)域中相關(guān)技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。