电阻式随机存取存储器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种存储器及其制造方法，且特别涉及一种电阻式随机存取存储器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]电阻式随机存取存储器(RRAM或ReRAM)因其记忆密度高、操作速度快、功耗低且成本低，是近年来广为研究的一种存储器组件。其运作原理在于，某些介电材料在被施予高电压时内部会产生导电路径，从而自高电阻状态转变至低电阻状态，此后，又可经“重设”步骤而回到高电阻状态。因此，该介电材料可以提供对应“O”和“I”的两种截然不同的状态，因此可以作为储存数字信息的记忆单元。
[0003]在各类电阻式随机存取存储器中，氧化铪型电阻式随机存取存储器因耐久性优、切换速度快而备受瞩目。可是，目前所使用的钛/氧化铪(Ti/Hf02)型电阻式随机存取存储器在高温时往往难以保持在低电阻状态，造成所谓“高温数据保持能力”的劣化。对此，有进行研究并加以改善的必要。
【发明内容】
[0004]要解决的技术问题
[0005]本发明提供一种电阻式随机存取存储器及其制造方法，可以改善电阻式随机存取存储器在高温状态下数据保持能力不佳的问题。
[0006]技术方案
[0007]本发明的电阻式随机存取存储器包括第一电极层、第二电极层以及设置在该第一电极层和该第二电极层之间的可变电阻层，其中该第二电极层包括第一子层、第二子层和设置在该第一子层和该第二子层之间的导电性金属氮氧化物层。
[0008]在一种实施方式中，该导电性金属氮氧化物层中的金属为由钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、铪(Hf)、镍(Ni)、铝(Al)、钒(V)、钴(Co) Jg(Zr)和硅(Si)组成的族群中选出的任一者。该金属优选至少包括钽或钛。
[0009]在一种实施方式中，氮和氧在该导电性金属氮氧化物层中的原子百分比分别为5%到 30% 和 20% 到 60%ο
[0010]在一种实施方式中，氧在该导电性金属氮氧化物层中的原子百分比为45%到60%。[0011 ] 在一种实施方式中，该导电性金属氮氧化物层具有多晶结构。
[0012]在一种实施方式中，该导电性金属氮氧化物层的厚度在5nm到30nm之间。
[0013]在一种实施方式中，该第一子层和该可变电阻层接触，该第一子层的材料包括钛，且在该第一子层中，氧/钛的原子数量比大于0.5。
[0014]本发明的电阻式随机存取存储器的制造方法包括以下步骤。在基底上形成第一电极层和第二电极层。在该第一电极层和该第二电极层之间形成可变电阻层，其中该第二电极层包括依序配置在该可变电阻层上的第一子层、导电性金属氮氧化物层和第二子层。
[0015]在一种实施方式中，该第一子层包括钛，且前述制造方法进一步包括进行加热，使该导电性金属氮氧化物层中的氧扩散进入该第一子层，从而使该第一子层中氧/钛的原子数量比大于0.5。
[0016]有益效果
[0017]基于上述可知，本发明提出一种电阻式随机存取内存和其制造方法，其中，在电极层中置入一个金属氮氧化物层。此金属氮氧化物层作为氧扩散阻障层，将氧离子的移动局限于可变电阻层和可变电阻层与金属氮氧化物层之间的区域；同时，当电阻式随机存取存储器处于其低电阻状态时，此金属氮氧化物层还可降低氧离子扩散回可变电阻层的机率，提高电阻式随机存取存储器的高温数据保持能力。
[0018]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特以示范性实施方式作详细说明如下。
【附图说明】
[0019]图1到图3是根据本发明的第一实施方式所示出的电阻式随机存取存储器的工艺流程图。
[0020]图4呈现的是在本发明第二实施方式的电阻式随机存取存储器和现有的电阻式随机存取存储器中，氧的含量随位置不同而变的分布示意图。
[0021]其中，附图标记说明如下:
[0022]100:基底
[0023]102:第一电极层
[0024]104:可变电阻层
[0025]106:第二电极层
[0026]108:第一子层
[0027]110:金属氮氧化物层
[0028]112:第二子层
[0029]202:第一电极层
[0030]204:可变电阻层
[0031]206:第二电极层
[0032]208:第一子层
[0033]212:第二子层
【具体实施方式】
[0034]以下将参照说明书附图更全面地描述本发明的示范性实施方式；然而，本发明可按不同的形式体现，且不局限于本文阐述的实施方式。
[0035]本发明的第一实施方式涉及一种电阻式随机存取存储器的制造方法，以下将参照图1到图3对其进行说明。
[0036]请参照图1，首先，提供基底100。基底100的材料不受特别限制，例如可以是常见的硅基底等半导体基底。在图1中虽然没有示出，但基底100中可能已经形成了其他组件，例如二极管或晶体管等半导体组件和连接不同组件的导电插塞，前述二极管或晶体管等组件可以作为电阻式随机存取存储器的切换组件，且可以通过导电插塞和图2到图3中描述的结构电性连接。
[0037]接着，在基底100上形成第一电极层102。第一电极层102的材料不受特别限制，凡现有的导电材料均可使用，举例而言，可以是氮化钛(TiN)、氮化铊(TaN)、氮化钛铝(TiAIN)、钛钨(TiW)合金、钨(W)、钌(Ru)、钼(Pt)、铱(Ir)、石墨或上述材料的混合物或叠层；其中，优选氮化钛、氮化铊、钼、铱、石墨或其组合。第一电极层102的形成方法不受特别限制，例如可以是直流溅镀或射频磁控溅镀等物理气相沉积(PVD)工艺。第一电极层102的厚度亦不受特别限制，但通常在5nm到500nm之间。
[0038]请参照图2，接着，在第一电极层102上形成可变电阻层104。可变电阻层104的材料不受特别限制，只要是可以通过电压的施予改变其自身电阻的材料都可以使用，例如可以是氧化铪(Η??2)、氧化镁(MgO)、氧化镍(N1)、氧化铌(Nb205)、氧化钛(T12)、氧化招(Al2O3)、氧化I凡(V2O5)、氧化鹤(WO3)、氧化锌(ZnO)和氧化钴(CoO)等。可变电阻层104可以通过物理气相沉积或化学气相沉积(CVD)工艺来形成；或者，考虑到可变电阻层104的厚度通常需限制在很薄的范围(例如2nm到10nm)，也可以通过原子层沉积(ALD)工艺来形成。
[0039]请参照图3，接着，在可变电阻层104上形成第二电极层106，其中第二电极层106包括依序配置在可变电阻层104上的第一子层108、导电性的金属氮氧化物层110和第二子层 112。
[0040]第一子层108的材料可以是和可变电阻层104相较之下更容易和氧键结的材料，其实例是钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、铪(Hf)、铝(Al)、镍(Ni)或上述金属的未完全氧化的金属氧化物。第一子层108的形成方法不受特别限制，例如可以使用物理化学气相沉积工艺；第一子层108的厚度亦不受特别限制,但通常在5nm到50nm之间。
[0041]金属氮氧化物层110可包括由MNxOy表示的材料，其中M可以是钽、钛、钨、铪、镍、铝、钒、钴、锆或硅，优选钽或钛。在材料MNxOy中，N所占的原子百分比优选在5%到30%之间，O所占的原子百分比优选在20%到60%之间，最好是在45%到60%之间。
[0042]以金属氮氧化物层110的材料是TiNxOy为例，其形成方法可以是通过物理气相沉积法直接形成TiNxOy薄膜；或者，也可以先形成Ti或TiN薄膜，再在N2O气体环境下对该薄膜施予退火处理，或是对该薄膜施予N2O电浆处理，从而得到TiNxOy薄膜。
[0043]另外需说明的是，金属氮氧化物层110是导电的，其厚度即使稍厚，也不至于影响到第二电极层106整体的导电能力。因此，相较于其他介电层的置入，就金属氮氧化物层110而言，其厚度尚无须受到严格限制(例如不需要限于几个奈米的等级)。举例来说，其厚度可以在5nm到30nm之间。
[0044]再者，金属氮氧化物层110可具有多晶结构。
[0045]第二子层112的材料和形成方法可以和第一电极层102相似，于此不再赘述，其厚度也可以和第一电极层102接近,而较佳可能在20nm到50nm之间。
[0046]在第二电极层106形成以后，电阻式随机存取存储器的制作也初步完成。之后，若在第一电极层102和第二电极层106之间建立高电位差，可变电阻层104中的氧离子(O2-)将受正电位的吸引而离开可变电阻层104，进