S12或Hf02。第一介电材料和第二介电材料可以包括相同的元素或不同的元素。在示例性系统中，在第一碳掺杂层和第二碳掺杂层均使用掺杂入S1x的碳(称为C:S1x)。然而，第一碳掺杂层中的碳的浓度可以与第二碳掺杂层中的碳的浓度不同。而且，第一碳掺杂层的厚度可以与第二碳掺杂层的厚度不同。
[0040]在制造RRAM单元之后，形成传导路径，并且电阻状态对应于低电阻状态(LRS)。LRS可以表示逻辑状态I。通过反向偏压产生具有氧化物基化合物的非导体以阻挡传导路径。相关联的电阻状态为高电阻状态(HRS)，HRS可以表示逻辑状态O。
[0041]在RRAM单元的操作期间，电流应该由操作RRAM单元的系统限制。在没有限流的情况下，可能会发生RRAM单元的击穿。第一碳掺杂层和第二碳掺杂层具有限流特性，这可以使得通过系统进行的限流变得不必要。碳掺杂剂可以用于减小电流。因为持久性增强并且功耗降低，所以电流减小可以使得RRAM单元在移动产品中的使用令人满意。
[0042]图3是示出通过在电阻切换网络中使用碳掺杂剂可以增大电阻切换网络从一种状态切换至另一种状态的电阻切换速度的图。如图所示，包括单个材料层的电阻切换网络可以具有10ns的切换时间。包括两个材料层(即，碳掺杂层和IV族元素掺杂层)的电阻切换网络可以具有90ns的切换时间。包括三个材料层(即，第一碳掺杂层、IV族元素掺杂层和第二碳掺杂层)的电阻切换网络可以实现30ns的切换时间。通过在电阻切换网络中使用多个层，可以增大存储器单元的计算速度。
[0043]图4是示出形成在电阻切换网络中具有多个层的RRAM单元的示例性方法的工艺流程图。可以使用溅射在第一电极(第一电极又位于衬底上)上形成第一碳掺杂层(操作102)。可以使用溅射在第一碳掺杂层上形成IV族元素掺杂层(操作104)。可以使用溅射在IV族元素掺杂层上形成第二碳掺杂层(操作106)。最后，可以使用溅射在第二碳掺杂层上形成第二电极(操作108)。
[0044]图5是示出形成在电阻切换网络中具有多个层的RRAM单元的另一示例性方法的工艺流程图。图5的方法类似于图4的方法，但是提供了在形成RRAM单元中可能存在的额外的操作。使用溅射在第一电极上形成第一碳掺杂层(操作102)可以包括:将导电薄膜用作电极层(操作110)，以及通过使用溅射将介电材料和碳靶共沉积在电极层上使得介电材料掺杂有碳来形成碳掺杂膜(操作112)。在这个实例中，导电膜可以是氮化钛膜，并且介电材料可以包括氧化硅或氧化铪。
[0045]使用溅射在第一碳掺杂层上形成IV族元素掺杂层(操作104)可以包括:通过使用溅射将介电材料和IV族元素靶共沉积在第一碳掺杂层上使得介电材料掺杂有IV族元素来形成IV族元素掺杂膜(操作114)。在这个实例中，IV族元素可以包括锆、钛或铪，并且介电材料可以包括氧化硅或氧化铪。
[0046]使用溅射在IV族元素掺杂层上形成第二碳掺杂层(操作106)可以包括:通过使用溅射将介电材料和碳靶共沉积在IV族元素掺杂层上使得介电材料掺杂有碳来形成碳掺杂膜(操作116)。在这个实例中，介电材料包括氧化硅或氧化铪。
[0047]使用溅射在第二碳掺杂层上形成第二电极(操作108)可以包括使用溅射在第二碳掺杂层上形成导电材料(操作118)。在这个实例中，导电材料是钼。
[0048]由于电阻切换网络的多层结构，本文中公开的示例性结构和方法可以产生具有低泄漏和高速开启/关闭的RRAM单元。本文中公开的示例结构和方法也可以产生较低的功耗和自限流的RRAM单元。
[0049]在一个实施例中，公开了一种电阻式存储器，该电阻式存储器包括第一电极和第二电极以及设置在第一电极和第二电极之间的多层电阻切换网络。多层电阻切换网络包括IV族元素掺杂层、设置在IV族元素掺杂层和第一电极之间的第一碳掺杂层、以及设置在IV族元素掺杂层和第二电极之间的第二碳掺杂层。
[0050]这些方面和其他实施例可以包括一个或多个以下特征。IV族元素掺杂层可以包括掺杂入介电材料的金属材料。介电材料可以包括氧化娃或氧化铪。金属材料可以包括错、钛或铪。第一碳掺杂层可以包括掺杂入第一介电材料的碳，并且第二碳掺杂层可以包括掺杂入第二介电材料的碳。第一介电材料和第二介电材料的每种均可以包括氧化硅或氧化铪。第一介电材料和第二介电材料可以包括相同的元素。第一碳掺杂层中的碳的浓度可以与第二碳掺杂层中的碳的浓度不同。第一碳掺杂层的厚度可以与第二碳掺杂层的厚度不同。IV族元素掺杂层的厚度可以高于第一碳掺杂层或第二碳掺杂层的厚度。
[0051]在另一实施例中，公开了一种制造电阻式存储器的方法。该方法包括:使用溅射在第一电极上形成第一碳掺杂层，使用溅射在第一碳掺杂层上形成IV族元素掺杂层，使用溅射在IV族元素掺杂层上形成第二碳掺杂层，以及使用溅射在第二碳掺杂层上形成第二电极。
[0052]这些方面和其他实施例可以包括一个或多个以下特征。使用溅射在第一电极上形成第一碳掺杂层可以包括:将导电膜用作电极层，以及通过使用溅射将介电材料和碳靶共沉积在电极层上使得介电材料掺杂有碳来形成碳掺杂膜。使用溅射在第一碳掺杂层上形成IV族元素掺杂层可以包括:通过使用溅射将介电材料和IV族元素靶共沉积在第一碳掺杂层上使得介电材料掺杂有IV族元素来形成IV族元素掺杂膜。使用溅射在IV族元素掺杂层上形成第二碳掺杂层可以包括:通过使用溅射将介电材料和碳靶共沉积在IV族元素掺杂层上使得介电材料掺杂有碳来形成碳掺杂膜。第一电极的导电膜可以是氮化钛膜。介电材料可以包括氧化硅或氧化铪。IV族元素可以包括锆、钛或铪。
[0053]在另一实施例中，公开了一种电阻式存储器单元。电阻式存储器单元包括一对电极和设置在这对电极之间的多层电阻切换网络。多层电阻切换网络包括一对碳掺杂层和设置在这对碳掺杂层之间的IV族元素掺杂层。每个碳掺杂层均包括掺杂有碳的氧化硅。IV族元素掺杂层包括掺杂有IV族元素的氧化石圭。
[0054]上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与在本文介绍的实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，他们可以对本发明做出多种变化、替换以及改变。
【主权项】
1.一种电阻式存储器,包括: 第一电极和第二电极；以及 多层电阻切换网络，设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述多层电阻切换网络包括: IV族元素掺杂层； 第一碳掺杂层，设置在所述IV族元素掺杂层和所述第一电极之间；和 第二碳掺杂层，设置在所述IV族元素掺杂层和所述第二电极之间。2.根据权利要求1所述的存储器，其中，所述IV族元素掺杂层包括掺杂到介电材料内的金属材料。3.根据权利要求2所述的存储器，其中，所述介电材料包括氧化硅或氧化铪。4.根据权利要求2所述的存储器，其中，所述金属材料包括锆、钛或铪。5.根据权利要求1所述的存储器，其中，所述第一碳掺杂层包括掺杂到第一介电材料内的碳，并且所述第二碳掺杂层包括掺杂到第二介电材料内的碳。6.根据权利要求5所述的存储器，其中，所述第一介电材料和所述第二介电材料的每种均包括氧化硅或氧化铪。7.根据权利要求5所述的存储器，其中，所述第一介电材料和所述第二介电材料包括相同的元素。8.根据权利要求1所述的存储器，其中，所述第一碳掺杂层中的碳的浓度与所述第二碳掺杂层中的碳的浓度不同。9.一种制造电阻式存储器的方法，包括: 使用溅射在第一电极上形成第一碳掺杂层； 使用溅射在所述第一碳掺杂层上形成IV族元素掺杂层； 使用溅射在所述IV族元素掺杂层上形成第二碳掺杂层；以及 使用溅射在所述第二碳掺杂层上形成第二电极。10.一种电阻式存储器单元，包括: 一对电极；以及 多层电阻切换网络，设置在所述一对电极之间，所述多层电阻切换网络包括: 一对碳掺杂层，每个碳掺杂层均包括掺杂有碳的氧化娃；和 IV族元素掺杂层，设置在所述一对碳掺杂层之间，所述IV族元素掺杂层包括掺杂有IV族元素的氧化硅。
【专利摘要】本发明公开了一种电阻式存储器单元。电阻式存储器单元包括一对电极和设置在这对电极之间的多层电阻切换网络。多层电阻切换网络包括一对碳掺杂层和设置在这对碳掺杂层之间的IV族元素掺杂层。每个碳掺杂层均包括掺杂有碳的氧化硅。IV族元素掺杂层包括掺杂有IV族元素的氧化硅。本发明也公开了一种制造电阻式存储器单元的方法。该方法包括：使用溅射在第一电极上形成第一碳掺杂层，使用溅射在第一碳掺杂层上形成IV族元素掺杂层，使用溅射在IV族元素掺杂层上形成第二碳掺杂层，以及使用溅射在第二碳掺杂层上形成第二电极。本发明涉及具有多层器件结构的电阻式随机存取存储器(RRAM)。
【IPC分类】H01L45/00
【公开号】CN105206743
【申请号】CN201410392613
【发明人】张鼎张, 张冠张, 蔡宗鸣, 潘致宏, 王英郎, 陈科维, 张世杰, 孔德明
【申请人】台湾积体电路制造股份有限公司
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2014年8月11日
【公告号】US9281475, US20150349250