RRAM装置与其形成方法与流程

本发明关于RRAM装置，更特别关于其MIM堆叠结构与其形成方法。

背景技术：

电阻式非挥发性存储器(RRAM)因具有功率消耗低、操作电压低、写入擦除时间短、耐久度长、存储时间长、非破坏性读取、多状态存储、元件工艺简单、及可微缩性等优点，所以成为新兴非挥发性存储器的主流。电阻式非挥发性存储器的基本结构为底电极、电阻转态层及顶电极构成的金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal,MIM)叠层结构，且电阻式非挥发性存储器的电阻转换(resistive switching，RS)阻值特性为元件的重要特性。一般为了形成MIM堆叠的阵列，往往形成整层的底电极层、电阻转态层、与顶电极层后，再以光刻工艺搭配刻蚀工艺图案化上述层状物以定义多个MIM堆叠。然而刻蚀工艺往往会损伤MIM堆叠的侧壁而劣化MIM堆叠的性质。

综上所述，目前亟需新的RRAM装置及其制造方法，以改善上述缺点。

技术实现要素：

为了解决刻蚀工艺往往会损伤MIM堆叠的侧壁而劣化MIM堆叠的性质的问题，本发明实施例提供一种RRAM装置与其形成方法。

本发明一实施例提供的RRAM装置，包括：底电极，位于氧化物层中；多个介电凸块，位于氧化物层上，且底电极位于相邻的两个介电凸块之间；电阻转态层，顺应性地位于介电凸块、氧化物层、与底电极上；导电储氧层，位于电阻转态层上；以及氧扩散阻障层，位于导电储氧层上。

本发明一实施例提供的RRAM装置的形成方法，包括：形成底电极于氧化物层中；形成多个介电凸块于氧化物层上，且底电极位于相邻的两个介电凸块之间；顺应性地形成电阻转态层于介电凸块、氧化物层、与底电极上；形成导电储氧层于电阻转 态层上；以及形成氧扩散阻障层于导电储氧层上。

由于本发明的介电凸块可增加相邻的MIM堆叠的导电储氧层中的来自电阻转态层氧原子的迁移路径，甚至截断相邻的MIM堆叠的导电储氧层，因此可有效改善相邻MIM堆叠互相干扰的问题。

附图说明

图1是本发明一实施例中，MIM堆叠的示意图。

图2是本发明一实施例中，MIM堆叠的示意图。

图3是本发明一实施例中，MIM堆叠的示意图。

图4A至图4C是本发明一实施例中，MIM堆叠的工艺示意图。

图5A至图5B是本发明一实施例中，MIM堆叠的工艺示意图。

图6A至图6B是本发明一实施例中，MIM堆叠的工艺示意图。

附图标号：

8 晶体管

8D 漏极

8G 栅极

8S 源极

10 基板

11 氧化物层

13 底电极

14 介电凸块

15 电阻转态层

16、18 氧扩散阻障层

17 导电储氧层

18A TiN层

18B TiON层

18C TiN层

具体实施方式

为解决已知工艺造成的问题，可采用图1所示的结构。首先形成晶体管于基板10上。在一实施例中，栅极8G形成于基板10上，而源极8S与漏极8D形成于基板10中并与栅极8G的两侧相邻。值得注意的是，上述晶体管8仅用以说明而非局限本发明。接着形成氧化物层11于基板10与晶体管上，并以光刻工艺搭配刻蚀工艺形成开口于氧化物层11中，以露出部份漏极8D。沉积底电极层于氧化物层11上及开口中，再以平坦化工艺移除氧化物层11其上表面上的底电极层，即形成底电极13以接触晶体管8(如漏极8D)。之后形成整层的电阻转态层15、导电储氧层17(如Ti)、与氧扩散阻障层18(比如TiN层18A/TiON层18B/TiN层18C)于氧化物层11及底电极13上。氧扩散阻障层18为导电结构，其TiN层18C可作为顶电极。

图1所示的结构可避免已知工艺中，图案化底电极层、电阻转态层、与顶电极层以定义MIM堆叠时，刻蚀损伤MIM堆叠侧壁的缺点。然而上述结构中，相邻的MIM堆叠极易互相干扰。举例来说，当施加写入电压至右侧底电极13时，理论上只有对应右侧底电极13的电阻转态层15的氧原子会迁移至对应右侧底电极13的导电储氧层17中。然而对应右侧底电极13的电阻转态层15的氧原子可能迁移至对应左侧底电极13的导电储氧层17，干扰左侧MIM堆叠的状态。在底电极13之间的距离越小的情况下，上述干扰的问题会越严重。

在另一实施例中，采用介电凸块解决上述氧原子迁移所造成的干扰问题。如图2所示，先提供基板10如硅基板，并形成晶体管8于基板10上。接着形成氧化物层11于基板10上。在一实施例中，氧化物层11可为氧化硅，其形成方法可为热氧化法、化学气相沉积法、或其他合适方法。接着以光刻工艺搭配刻蚀工艺形成开口于氧化物层11中以露出晶体管8的漏极8D，再沉积底电极层于氧化物层11上及开口中。在一实施例中，底电极层可为铝、钛、氮化钛(TiN)、或上述组合，其形成方法可为电子束真空蒸镀(E-beam evaporation)、溅镀法(sputtering)、或物理气相沉积(PVD)。接着以平坦化工艺移除氧化物层11其上表面上的底电极层，即形成底电极13，其接触晶体管8的漏极8D。在一实施例中，底电极13的厚度即氧化物层11的厚度介于10nm与100nm之间，其与氧化物层11的厚度相同。底电极13的顶部边缘通常具有斜角(未图示)，有利于避免锐角边缘造成的高电场与电流累积。

接着形成介电凸块14于氧化物层11上。如图2所示，某一底电极13位于两个相邻的介电凸块14之间。然而可以理解的是，某一介电凸块14亦位于两个相邻的底 电极13之间。换言之，底电极13与介电凸块14交错排列。介电凸块14可于x方向与y方向围绕底电极13，且可相连成格状。上述介电凸块的形成方法为形成整层的介电层于底电极13及氧化物层11上，再以光刻工艺搭配刻蚀工艺图案化介电层以定义介电凸块14。在一实施例中，介电层与介电凸块14的材料为氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或类似物。

接着顺应性地形成电阻转态层15于介电凸块14、氧化物层11、与底电极13上。在一实施例中，电阻转态层15的材质可为氧化铪、氧化钛、氧化钨、氧化钽、或氧化锆。在一实施例中，电阻转态层15的形成方法可为原子层沉积(ALD)。

接着顺应性地形成氧扩散阻障层16于但阻转态层15上。在一实施例中，氧扩散阻障层16的形成方法为ALD。氧扩散阻障层16可视情况形成，且某些实施例可省略氧扩散阻障层。

接着顺应性地形成导电储氧层17于氧扩散阻障层16上。在一实施例中，导电储氧层17可为铝、钛、或上述组合，其形成方法可为电子束真空蒸镀、溅镀法、或PVD。在一实施例中，底电极13与导电储氧层17的材质不同，比如底电极13为氮化钛而导电储氧层17为钛。

接着顺应性地形成TiN层18A于导电储氧层17上，再毯覆性地形成TiON层18B于TiN层18A上，最后再形成TiN层18C于TiON层18B上。上述TiN层18A、TiON层18B、与TiN层18C即组成氧扩散阻障层18，可避免导电储氧层17中的氧(来自电阻转态层15)向上逃逸出导电储氧层17。在此实施例中，TiON层18B的厚度介于5nm至8nm之间，而TiN层18A与18C的厚度介于9nm至12nm之间。若TiON层18B过薄，则无法有效避免自电阻转态层15迁移至导电储氧层17的氧，在未施加电压的状态下向上逃逸出导电储氧层17的问题。若TiON层18B过厚，则会大幅增加整个MIM堆叠的电阻而增加RRAM装置的驱动电压，甚至使RRAM装置失效。在一实施例中，TiN层18A与18C与TiON层18B的形成方法可为电子束真空蒸镀、溅镀法、或PVD。虽然图示中的TiN层18C具有平坦上表面，但实际上亦可具有不平坦的上表面。在另一实施例中，TiN层18A可取代为厚度介于0.3nm至0.6nm之间的氧化铝层，而TiON层18B可取代为厚度介于9nm至12nm的TiN层。上述氧化铝层的形成方法可为ALD。若氧化铝层过薄，则无法有效避免自电阻转态层15迁移至导电储氧层17的氧，在未施加电压的状态下向上逃逸出导电储氧层17的问题。若氧 化铝层过厚，则会大幅增加整个MIM堆叠的电阻而增加RRAM装置的驱动电压，甚至使RRAM装置失效。

由于介电凸块14的存在，自对应某一底电极13的电阻转态层15迁移至导电储氧层17中的氧原子，无法如图1的结构般轻易迁移至对应相邻的底电极13的导电储氧层17。简言之，介电凸块14可有效改善相邻MIM堆叠的干扰问题。

图3与图2类似，差别在于介电凸块14与部份(非全部)的底电极13重叠。图3的结构可进一步减少主动区的面积，进而降低MIM堆叠的漏电流与驱动电压。可以理解的是，TiN层18A可取代为厚度介于0.3nm至0.6nm之间的氧化铝层，而TiON层18B可取代为厚度介于9nm至12nm的TiN层。为了进一步避免某一MIM堆叠的导电储氧层17的氧原子(来自电阻转态层15)迁移至相邻的MIM堆叠的导电储氧层17，可采用图4A至图4C的工艺形成MIM堆叠如下。首先，形成晶体管8于基板10上，形成氧化物层于晶体管8与基板10上，并形成底电极13于基板10上的氧化物层11中以接触晶体管8的漏极8D。接着形成介电凸块14于氧化物层11上。之后顺应性地依序形成电阻转态层15、氧扩散阻障层16、导电储氧层17、与TiN层18A于介电凸块14、氧化物层11、与底电极13上，如图4A所示。接着以平坦化工艺如CMP移除超出氧扩散阻障层16的顶部的导电储氧层17与TiN层18A，直到露出电阻转态层15上的氧扩散阻障层16，如图4B所示。之后毯覆性地形成TiON层18B于导电储氧层17、TiN层18A、与露出的氧扩散阻障层16上，如图4C所示。接着形成TiN层18C于TiON层18B上，且TiN层18C可作为此MIM堆叠的顶电极，如图4C所示。上述结构的材料与形成方法与前述类似，在此不赘述。与图2相较，图4C中不同MIM堆叠的导电储氧层17被介电凸块14截断，可进一步避免相邻的MIM堆叠互相干扰。

在一实施例中，形成晶体管8于基板10上，形成氧化物层于晶体管8与10上，形成底电极13于基板10上的氧化物层11中以接触晶体管8的漏极8D，接着形成介电凸块14于氧化物层11上。底电极13位于两个相邻的介电凸块14之间。之后顺应性地依序形成电阻转态层15、氧扩散阻障层16、导电储氧层17、与TiN层18A于介电凸块14、氧化物层11、与底电极13上，如图4A所示。接着以平坦化工艺如CMP移除超出氧扩散阻障层16的顶部的导电储氧层17与TiN层18A，直到露出介电凸块14上的氧扩散阻障层16，如图4B所示。接着以TiN层18A作为刻蚀掩膜，并刻蚀 移除TiN层18A未覆盖的导电储氧层17，如图5A所示。之后毯覆性地形成TiON层18B于TiN层18A与氧扩散阻障层16上，再形成TiN层18C于TiON层18B上，且TiN层18C可作为此MIM堆叠的顶电极，如图5B所示。上述结构的材料与形成方法与前述类似，在此不赘述。在图5B中，不同MIM堆叠的导电储氧层17被介电凸块14截断，且导电储氧层17与介电凸块14之间隔有部份氧扩散阻障层18(TiON层18B)与氧扩散阻障层16，可进一步避免相邻的MIM堆叠互相干扰。此外，上述工艺进一步缩小导电储氧层17的面积(主动区面积)，可降低MIM堆叠的漏电流与驱动电压。

在一实施例中，形成晶体管8于基板10上，形成氧化物层11于晶体管8与基板10上，形成底电极13于氧化物层11中以接触晶体管8的漏极8D，并形成介电凸块14于氧化物层11与部份底电极13上。之后顺应性地依序形成电阻转态层15、氧扩散阻障层16、导电储氧层17、与TiN层18A于介电凸块14、氧化物层11、与底电极13上，如图6A所示。接着以平坦化工艺如CMP移除超出氧扩散阻障层16的顶部的导电储氧层17，直到露出介电凸块14上的氧扩散阻障层16，如图6A所示。接着以光刻工艺搭配刻蚀工艺，移除一侧的导电储氧层17与TiN层18A，如图6A所示。接着毯覆性地形成TiON层18B于上述结构上，再形成TiN层18C于TiON层18B上，且TiN层18C可作为此MIM堆叠的顶电极，如图6B所示。上述结构的材料与形成方法与前述类似，在此不赘述。在图6B中，不同MIM堆叠的导电储氧层17被介电凸块14截断，可进一步避免相邻的MIM堆叠互相干扰。此外，上述工艺进一步缩小导电储氧层17的面积(主动区面积)，可降低MIM堆叠的漏电流与驱动电压。

综上所述，本发明的多个实施例的MIM堆叠结构具有底电极13位于基板10上的氧化物层11中，多个介电凸块14位于氧化物层11上，且底电极13夹设于介电凸块14之间。上述MIM堆叠结构亦包含电阻转态层15、氧扩散阻障层16、与导电储氧层17顺应性地依序形成于介电凸块14、氧化物层11、与底电极13上。上述MIM堆叠结构亦包含氧扩散阻障层18于导电储氧层17上。由于介电凸块14可增加相邻的MIM堆叠的导电储氧层17中的氧原子(来自电阻转态层15)的迁移路径，甚至截断相邻的MIM堆叠的导电储氧层17，因此可有效改善相邻MIM堆叠互相干扰的问题。

可以理解的是，TiN层18C(作为顶电极)可经由顶电极接触插塞(未图示)或直接 连接至外部电路或电子元件。在一实施例中，上述底电极13、电阻转态层15、导电储氧层17、与氧扩散阻障层18组成的MIM堆叠可用于RRAM装置。

虽然本发明已以数个实施例揭露于上，然其并非用以限定本发明，任何本领域相关人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书为准。