电阻式存储器及其制造方法与流程

本发明涉及一种存储器及其制造方法，尤其涉及一种电阻式存储器及其制造方法。

背景技术：

近年来电阻式存储器(诸如电阻式随机存取存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM))的发展极为快速，是目前最受瞩目的未来存储器的结构。由于电阻式存储器具备低功耗、高速运作、高密度以及相容于互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺技术的潜在优势，因此非常适合作为下一世代的非挥发性存储器元件。

现行的电阻式存储器通常包括相对配置的上电极与下电极以及位于上电极与下电极之间的介电层。当对现行的电阻式存储器进行操作前，首先需进行形成(forming)的程序，对电阻式存储器施加较高的正偏压，使得介电层中产生氧空缺(oxygen vacancy)或氧离子(oxygen ion)而形成导电灯丝(filament)。在进行重置(reset)操作时，对电阻式存储器施加负偏压，使得导电灯丝断开。此时，邻近上电极处的氧空缺被重新填满(或者氧离子脱离电流路径)，使得灯丝在邻近上电极处断开。另一方面，当对现行的电阻式存储器进行设定(set)操作时，对电阻式存储器施加正偏压，使得介电层中再次产生氧空缺或氧离子以重新形成导电灯丝。

由于现有的RRAM的工艺是通过蚀刻工艺来定义出存储器单元(cell)，在蚀刻工艺中的等離子步骤或是湿式清洁步骤中，容易在存储器单元的侧壁上形成悬浮键(dangling bond)。在进行重置的过程中，上述悬浮键会与氧空缺或氧离子结合，进而导致重置失败(reset failure)。因此，如何提供一种电阻式存储器及其制造方法，其可保护存储器单元的侧壁，以避免重置失败，进而提升高温数据保持能力(High-temperature data retention，HTDR)将成为重要的一门课题。

技术实现要素：

本发明提供一种电阻式存储器及其制造方法，其可保护存储器单元的侧壁，以避免重置失败，进而提升高温数据保持能力。

本发明提供一种电阻式存储器包括：第一电极、第二电极、可变电阻层、氧交换层、以及保护层。第一电极与第二电极相对设置。可变电阻层配置于第一电极与第二电极之间。氧交换层配置于可变电阻层与第二电极之间。保护层至少配置于氧交换层的侧壁上。

本发明提供一种电阻式存储器的制造方法，其步骤如下。形成相对配置的第一电极与第二电极。形成可变电阻层于第一电极与第二电极之间。形成氧交换层于可变电阻层与第二电极之间。形成保护层，其至少覆盖氧交换层的侧壁。

基于上述，本发明通过将氧交换层填入第一介电层中的开口中，使得蚀刻工艺中的等離子步骤或是湿式清洁步骤不会损害氧交换层的侧壁，进而改善氧交换层的侧壁的平整度。另外，本发明通过具有高介电常数的保护层覆盖氧交换层的侧壁，其不仅能保护氧交换层的侧壁，还能用以提供氧至氧交换层，并将灯丝局限在氧交换层的中心，以增加电流密度，进而提升高温数据保持能力。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1I是本发明的一实施例的电阻式存储器的制造流程的剖面示意图。

附图标记说明：

10：开口；

100：电阻式存储器；

102、124：介电层；

104：介层窗；

104a：插塞；

104b：阻挡层；

106、106a：第一电极；

108、108a：可变电阻层；

110、110a、110b：第一介电层；

112、112a：保护层；

114、114a：氧交换层；

116：阻挡层；

118、118a：第二电极；

120：存储器单元；

122：金属氧化层。

具体实施方式

参照本实施例的附图以更全面地阐述本发明。然而，本发明也可以各种不同的形式体现，而不应限于本文中所述的实施例。图式中的层与区域的厚度会为了清楚起见而放大。相同或相似的参考号码表示相同或相似的元件，以下段落将不再一一赘述。

图1A至图1I是本发明的一实施例的电阻式存储器的制造流程的剖面示意图。

请参照图1A，形成介层窗104于介电层102中。详细地说，介层窗104的形成方法可例如是先在介电层102中形成介层窗开口(未示出)。然后，共形形成阻挡层104b于介层窗开口中。再将插塞104a填入该介层窗开口中，使得阻挡层104b配置于介电层102与插塞104a之间。在一实施例中，插塞104a与阻挡层104b可视为介层窗104。虽然图1A中仅示出一个介层窗，但本发明不限于此，在其他实施例中，介层窗的数量可依照需求来进行调整。在一实施例中，插塞104a的材料包括金属材料，金属材料可例如是钨，其形成方法可例如是化学气相沉积法。阻挡层104b的材料可例如是氮化钨、氮化钛、氮化钽或其组合，其形成方法例如是化学气相沉积法。介电层102的材料可包括氧化硅、氮化硅或其组合，其形成方法可例如是化学气相沉积法。

然后，依序形成第一电极106、可变电阻层108以及第一介电层110于介电层102上。第一电极106的材料可包括氮化钛(TiN)、铂(Pt)、铱(Ir)、 钌(Ru)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、铝(Al)、锆(Zr)、铪(Hf)、镍(Ni)、铜(Cu)、钴(Co)、铁(Fe)、钆(Y)、锰(Mo)或其组合，其形成方法可例如是物理气相沉积法或化学气相沉积法。可变电阻层108的材料可包括氧化铪(可例如是HfO或HfO₂等)、氧化镧、氧化钆、氧化钇、氧化锆、氧化钛、氧化钽、氧化镍、氧化钨、氧化铜、氧化钴、氧化铁、氧化铝或其组合，其形成方法例如是化学气相沉积法。第一介电层110的材料可包括氧化硅、氮化硅或其组合，其形成方法可例如是原子层沉积法(Atomic Layer Deposition，ALD)或化学气相沉积法。

请参照图1B，形成开口10于第一介电层110中，其中开口10暴露可变电阻层108的顶面。开口10对应于介层窗104，其可用以定义后续存储器单元120的区域(如图1I所示)。

请参照图1C，共形形成保护层112于介电层102上。保护层112覆盖第一介电层110a的顶面以及开口10的表面。在一实施例中，保护层112的材料包括高介电常数材料。高介电常数材料可包括金属氧化物，所述金属氧化物可例如是氧化铪、氧化镧、氧化钆、氧化钇、氧化锆、氧化钛、氧化钽、氧化镍、氧化钨、氧化铜、氧化钴、氧化铁、氧化铝或其组合。保护层112的形成方法可例如是原子层沉积法或化学气相沉积法，其厚度可介于0.3nm至2nm之间。

请参照图1D，形成氧交换层114于保护层112上。氧交换层114填入开口10且覆盖保护层112的表面，使得保护层112位于氧交换层114与第一介电层110a之间。氧交换层114的材料可包括钛(Ti)、钽(Ta)、铪(Hf)、锆(Zr)、铂(Pt)、铝(Al)或其组合，其形成方法可例如是物理气相沉积法或化学气相沉积法。值得注意的是，本实施例可通过将氧交换层114填入开口10，以避免蚀刻工艺中的等離子步骤或是湿式清洁步骤损害氧交换层114的侧壁，进而改善氧交换层114的侧壁的平整度，避免悬浮键的产生。因此，本实施例可避免重置失败并提升高温数据保持能力。

请参照图1E，进行平坦化工艺，移除部分氧交换层114，以暴露保护层112的顶面。在一实施例中，平坦化工艺可例如是回蚀刻工艺(Etch back)或化学机械硏磨工艺(CMP)。

请参照图1F，形成阻挡层116于氧交换层114a上。在一实施例中，阻 挡层116的材料包括金属氧化物。在另一实施例中，阻挡层116的材料可包括氮氧化钛、氧化铝、氧化铪、氧化锆或其组合。以氮氧化钛为例，可进行氮化处理，使得氮氧化钛仅形成于氧交换层114a的顶面上。另一方面，以氧化铝为例，可进行沉积处理，使得氧化铝不仅覆盖氧交换层114a的顶面，还可覆盖保护层112的顶面(未示出)。值得注意的是，在进行设定或重置时，阻挡层116可防止较大电流流经氧交换层114a时所导致灯丝不均匀的现象。

请参照图1G，形成第二电极118于保护层112与阻挡层116上。第二电极118的材料可包括氮化钛(TiN)、铂(Pt)、铱(Ir)、钌(Ru)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、铝(Al)、锆(Zr)、铪(Hf)、镍(Ni)、铜(Cu)、钴(Co)、铁(Fe)、钆(Y)、锰(Mo)或其组合，其形成方法可例如是物理气相沉积法或化学气相沉积法。

请参照图1H，进行图案化工艺，移除部分第二电极118、部分保护层112、部分第一介电层110a、部分可变电阻层108以及部分第一电极106，以暴露介电层102的顶面，进而形成存储器单元120。

请参照图1I，共形形成金属氧化层122于存储器单元120的顶面与侧壁以及介电层102的顶面(未示出)。接着，毯覆性的形成介电层124于金属氧化层122上(未示出)。然后，再以第二电极118a为停止层进行一平坦化工艺以移除部分金属氧化层122与部分介电层124，以露出第二电极118a的顶面。在一实施例中，金属氧化层122的材料可包括氧化铪、氧化镧、氧化钆、氧化钇、氧化锆、氧化钛、氧化钽、氧化镍、氧化钨、氧化铜、氧化钴、氧化铁、氧化铝或其组合，其形成方法可例如是原子层沉积法或化学气相沉积法。介电层124的材料可包括氧化硅、氮化硅或其组合，其形成方法可例如是化学气相沉积法。

请继续参照图1I，本实施例提供一种电阻式存储器100包括介电层102、介层窗104、金属氧化层122、介电层124以及存储器单元120。介层窗104配置在介电层102中。存储器单元120配置在介层窗104上。介电层124配置在存储器单元120旁。金属氧化层122配置在介电层124与存储器单元120以及介电层124与介电层102之间。

存储器单元120包括：第一电极106a、第二电极118a、可变电阻层108a、第一介电层110b、氧交换层114a、阻挡层116以及保护层112a。第一电极 106a与第二电极118a相对设置。可变电阻层108a配置于第一电极106a与第二电极118a之间。氧交换层114a配置于可变电阻层108a与第二电极118a之间。第一介电层110b配置于氧交换层114a旁，且配置于可变电阻层108a上。阻挡层116配置于氧交换层114a与第二电极118a之间。在本实施例中，保护层112a不仅配置于氧交换层114a的侧壁上，还延伸至氧交换层114a与可变电阻层108a之间以及第一介电层110b的顶面。从另一方面来看，保护层112a也配置于第一介电层110b与氧交换层114a之间。

值得一提的是，由于本实施例是通过将氧交换层114填入开口10，故不会受蚀刻工艺中的等離子步骤或是湿式清洁步骤损害氧交换层114的侧壁，可避免氧交换层114a的侧壁形成悬浮键，进而减少重置失败的机率。另一方面，本实施例的保护层112a可用以提供氧至氧交换层114a。换言之，在进行设定时，氧空缺或氧离子的密度将更容易控制在氧交换层114a的中心(也即将灯丝局限在氧交换层114a的中心)，因此，其可增加电流密度，进而提升高温数据保持能力。

此外，本实施例的第一介电层110b也配置于氧交换层114a旁，其可将电场更集中在氧交换层114a的中心，藉此产生较集中的灯丝，进而提升高温数据保持能力。

综上所述，本发明通过将氧交换层填入第一介电层中的开口中，使得蚀刻工艺中的等離子步骤或是湿式清洁步骤不会损害氧交换层的侧壁，进而改善氧交换层的侧壁的平整度。另外，本发明通过具有高介电常数的保护层覆盖氧交换层的侧壁，其不仅能保护氧交换层的侧壁，还能用以提供氧至氧交换层，并将灯丝局限在氧交换层的中心，以增加电流密度，进而提升高温数据保持能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。