电阻式非易失性存储器装置及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种电阻式非易失性存储器装置及其制造方法，特别是关于一种具有高可靠度的电阻式非易失性存储器装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002]电阻式非易失性存储器(RRAM)因具有功率消耗低、操作电压低、写入抹除时间短、耐久度长、记忆时间长、非破坏性读取、多状态记忆、元件制作工艺简单及可微缩性等优点，所以成为新兴非易失性存储器的主流。现有的电阻式非易失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一金属-绝缘体-金属(metal-1nsulator-metal, MIM)叠层结构，且电阻式非易失性存储器的电阻转换(resistive switching,RS)阻值特性为元件的重要特性。然而，电阻式非易失性存储器的存取速度、储存密度、以及可靠度仍受限于氧空缺(oxygen vacancy)分布区域的控制能力不佳而无法有效的提升。
[0003]因此，在此技术领域中，有需要一种非易失性存储器及其制造方法，以改善上述缺点。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供一种电阻式非易失性存储器装置及其制造方法，以提升电阻式非易失性存储器装置的可靠度。
[0005]本发明的一实施例提供一种电阻式非易失性存储器装置。上述电阻式非易失性存储器装置包括一第一电极；一第二电极，设置于上述第一电极上；一电阻转态层，设置于上述第一电极和上述第二电极之间，其中上述电阻转态层包括一第一区域，具有一第一氮原子浓度；一第二区域，相邻于上述第一区域，其中第二区域具有不同于上述第一氮原子浓度的一第二氮原子浓度。
[0006]本发明的一实施例提供一种电阻式非易失性存储器装置的制造方法。上述电阻式非易失性存储器装置的制造方法包括形成一第一电极材料层；于上述第一电极材料层上形成一电阻转态材料层；将多个氮原子注入部分上述电阻转态材料层中；于上述电阻转态材料层上形成一第二电极材料层；利用一第一遮罩，进行一图案化工艺，移除部分上述第二电极材料层、上述电阻转态材料层和上述第一电极材料层以分别形成一第二电极、一电阻转态层和一第一电极，其中上述电阻转态材料层包括一第一区域，具有一第一氮原子浓度；一第二区域，相邻于上述第一区域，其中第二区域具有不同于上述第一氮原子浓度的一第二氮原子浓度。
[0007]由上述技术方案可得，本发明能够减少电阻式非易失性存储器对氧空缺分布区域的控制能力不佳的限制，从而有效的提升电阻式非易失性存储器的存取速度、储存密度、以及可靠度。
【附图说明】
[0008]图1显示本发明的一实施例的电阻式非易失性存储器装置的剖面示意图。
[0009]图2显示本发明的另一实施例的电阻式非易失性存储器装置的剖面示意图。
[0010]图3?图7显示本发明的一实施例的电阻式非易失性存储器装置的中间工艺步骤的剖面示意图。
[0011]图8?图9显示本发明的另一实施例的电阻式非易失性存储器装置的中间工艺步骤的剖面示意图。
[0012]图10?图11显示本发明的又一实施例的电阻式非易失性存储器装置的中间工艺步骤的剖面示意图。
[0013]图12显示本发明的一实施例的电阻式非易失性存储器装置的剖面示意图，其显示位于电阻转态层中氮原子的分布具有的一种功效。
[0014]图13显示本发明的一实施例的电阻式非易失性存储器装置的剖面示意图，其显示位于电阻转态层中氮原子的分布具有的另一种功效。
[0015]图中符号说明:
[0016]500a、500b?电阻式非易失性存储器装置；
[0017]250a、250b?金属-绝缘体-金属叠层；
[0018]200?半导体基板；
[0019]202 ?电路；
[0020]204,218?层间介电层；
[0021]205、217 ?顶面；
[0022]206?第一电极接触插塞；
[0023]216?第二电极接触插塞；
[0024]208?第一电极；
[0025]210?电阻转态层；
[0026]212?第二电极；
[0027]208a?第一电极材料层；
[0028]210a?电阻转态材料层；
[0029]212a?第二电极材料层；
[0030]214?阻障衬垫层；
[0031]220?氮原子；
[0032]222?氧空缺；
[0033]224?阻障层；
[0034]224a?阻障材料层；
[0035]226,238?第一光阻图案；
[0036]230?第二光阻图案；
[0037]228 ?遮罩；
[0038]229、237?掺杂工艺；
[0039]232?第一区域；
[0040]234?第二区域；
[0041]236?绝缘层；
[0042]240?侧壁损伤；
[0043]242?氧原子。
【具体实施方式】
[0044]为了让本发明的目的、特征、及优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图示，做详细的说明。本发明说明书提供不同的实施例来说明本发明不同实施方式的技术特征。其中，实施例中的各元件的配置是为说明之用，并非用以限制本发明。且实施例中图式标号的部分重复，是为了简化说明，并非意指不同实施例之间的关联性。
[0045]本发明实施例提供一种非易失性存储器，例如为一电阻式非易失性存储器(RRAM)装置，其于电阻转态层的导电丝形成区域的外围部分掺杂多个氮原子，上述多个氮原子可以作为障壁物，将提供导电丝形成的氧空缺局限于氮原子的所包围的区域内。位于导电丝形成区域的外围的氮原子可以防止电阻转态层在后续工艺中因破坏侧壁损伤导电丝而降低RRAM的数据保存能力。位于导电丝形成区域的外围的氮原子可以防止氧原子扩散进入用以形成导电丝的氧空缺而导致RRAM的低电阻状态电流下降，因而无法读取RRAM的电阻状态。
[0046]图1显示电阻式非易失性存储器(RRAM)装置500a的剖面示意图。如图1所示，RRAM装置500a可设置于例如硅基板的一半导体基板200上，并可连接至设置于半导体基板200上的一电路202。也可于上述半导体基板200上设置其他多种分离的电子元件，上述电子元件可为包括晶体管、二极管、电容、电感、以及其他主动或非主动半导体元件。RRAM装置500a的主要元件包括一第一电极接触插塞206、一第一电极208、一电阻转态层210、一第二电极212和一第二电极接触插塞216。上述第一电极208、电阻转态层210和第二电极212一起构成一金属-绝缘体-金属(M頂)叠层250a。
[0047]如图1所示，第一电极接触插塞206设置于上述半导体基板200上，且电连接至设置于半导体基板200上的电路202。第一电极接触插塞206穿过设置于上述半导体基板200上的层间介电层204。在本发明一些实施例中，电路202用以对RRAM装置500a施加操作电压。电路202可为包括晶体管、二极管、电容、电阻等电子元件组合的电路。第一电极接触插塞206的材质可包括钨(W)。
[0048]如图1所不，第一电极208设置于上述第一电极接触插塞206上,且接触上述第一电极接触插塞206。上述第一电极208可视为一底电极。因此,上述第一电极接触插塞206可视为一底电极接触插塞。在本发明一些实施例中，第一电极208的材质可包括铝、钛、氮化钛或上述组合。可利用电子束真空蒸镀或溅镀法形成第一电极208。也可于形成第一电极208期间，于层间介电层204上形成多个导电图案。
[0049]如图1所示，第二电极212设置于上述第一电极208上方。上述第二电极212可视为一顶电极。上述第一电极接触插塞206和第二电极212可具有相同或相似的材质和形成方式。
[0050]如图1所示，第二电极接触插塞216设置于上述第二电极212上方，且接触上述第二电极212。上述第二电极接触插塞216可视为一顶电极接触插塞。上述第一电极208和第二电极接触插塞216可具有相同或相似的材质和形成方式。
[0051]如图1所示，电阻转态层210设置于上述第一电极208上，且位于上述第一电极208和第二电极212之间。电阻转态层210接触上述第一电极208和第二电极212。电阻转态层210的材质可包括二氧化铪、氧化铝、铬掺杂的钛酸锶、铬掺杂的锆酸锶、二氧化锆薄膜。可利用原子层沉积法(ALD)形成电阻转态层210。
[0052]如图1所示，电阻转态层210可包括彼此相邻的一第一区域232和一第二区域234。如图1所示，第一区域232设计为提供导电丝形成的氧空缺222的分布区域。因此