專利名稱：導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器(Conductive Bridging Random AccessMemory， CBRAM)元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器(CBRAM)是一種利用電阻值變化進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的非易失性 存儲(chǔ)器技術(shù)，同屬電阻式存儲(chǔ)器(RRAM)的范疇。導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器的元件結(jié)構(gòu)可視為 電解槽，由金屬陽極(Ag或Cu)與惰性陰極(Ni、W或Pt)中間填以固態(tài)電解質(zhì)(Solid electrolyte)所組成。此固態(tài)電解質(zhì)的材料為玻璃狀態(tài)的硫?qū)倩衔?Chalcogenide)或 是玻璃氧化物。在二極之間施加微小的電壓后，陽極產(chǎn)生會(huì)氧化反應(yīng)，使電極表面的金屬放 出電子后呈現(xiàn)離子態(tài)溶入電解質(zhì)。因電性遷移的緣故，將往陰極方向移動(dòng)，最后在陰極表面 進(jìn)行還原反應(yīng)析出可導(dǎo)電金屬原子，并進(jìn)一步形成細(xì)絲(Filament)，而使固態(tài)電解質(zhì)整體 電阻值下降，完成寫(Write)的動(dòng)作。反之，在擦除(Erase)操作時(shí)則將電壓反向?qū)φ{(diào)，使 可導(dǎo)電金屬原子形成的細(xì)絲在電解質(zhì)中消失，讓電阻逐漸回升至起始狀態(tài)。
對于擁有雙穩(wěn)定電阻轉(zhuǎn)換的氧化物可變電阻來說，其低電阻路徑-細(xì)絲是決定 電阻轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，金屬細(xì)絲是CBRAM存儲(chǔ)器中的低電阻路徑，當(dāng)元件經(jīng)過數(shù)萬次高低電 阻轉(zhuǎn)換的耐久性測試后，細(xì)絲在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)的數(shù)量與分布范圍可能會(huì)降低元件循環(huán) (Cycling)的次數(shù)，以及高低組態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間(Switching time)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器(CBRAM)元件，包括第一電極層、介電層、固態(tài) 電解質(zhì)層、第二電極層以及金屬層。上述固態(tài)電解質(zhì)層是位于第一電極層上，第二電極層是 位于固態(tài)電解質(zhì)層上，至于金屬層是位于固態(tài)電解質(zhì)層旁。而介電層是在固態(tài)電解質(zhì)層與 金屬層之間。 本發(fā)明另提出一種制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，包括先在第一電極層上形 成介電層，再進(jìn)行曝光顯影與蝕刻，以在介電層中形成至少一第一溝槽。隨后，在溝槽內(nèi)填 滿金屬層，再進(jìn)行曝光顯影與蝕刻，以在第一溝槽旁的介電層中形成第二溝槽，且第二溝槽 曝露出第一電極層的部分表面。接著，在第二溝槽內(nèi)沉積固態(tài)電解質(zhì)層，再在固態(tài)電解質(zhì)層 上沉積第二電極層。 為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合附圖作詳 細(xì)說明如下。


圖1是依照本發(fā)明的實(shí)施例的一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的剖面示意圖。
圖2是依照本發(fā)明的實(shí)施例的另一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的剖面示意圖。
圖3是圖2的金屬層的一種范例的俯視圖。
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圖4是圖2的金屬層的另一種范例的俯視圖。
圖5是圖1或圖2的部分放大圖。 圖6A至圖6F是依照本發(fā)明的另一實(shí)施例的一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的制造流 程剖面示意圖。附圖標(biāo)記說明100 :導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件102、600 :第一電極層110、602 :介電層104、612 :固態(tài)電解質(zhì)層106、614 :第二電極層108、108a、108b、500、608 :金屬層112 :溝槽114 :內(nèi)表面400 :尖端604 :第一溝槽606 :表面610 :第二溝槽
具體實(shí)施例方式
圖1是依照本發(fā)明的實(shí)施例的一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器(CBRAM)元件的剖面示意 圖。 請參照圖l，本實(shí)施例的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件100包括第一電極層102、介電層 110、固態(tài)電解質(zhì)層104、第二電極層106以及金屬層108，其中第一電極層102的材料為例 如惰性金屬，如鉬(Pt)、鎢(W)、氮化鈦(TiN)或鎳。上述固態(tài)電解質(zhì)層104是位于第一電 極層102上，所述固態(tài)電解質(zhì)層104的材料包括硫?qū)倩衔?Chalcogenide)，如鍺硒化合 物(Ge-Se)或鍺硫化合物(Ge-S);或硫化銀(Ag2S)、硫化銅(Cu2S)、氧化鉭(Ta205)、氧化鴇 (W203)或氧化硅(Si02)。而第二電極層106是設(shè)置于固態(tài)電解質(zhì)104上，其中第二電極層 106的材料包括銀(Ag)或銅(Cu)。至于金屬層108可以是一種單邊結(jié)構(gòu)，位于固態(tài)電解質(zhì) 層104旁，其中金屬層108的材料為可導(dǎo)電的金屬復(fù)合材料或金屬材料。再者，金屬層108 與第一電極層102在圖1中是電性相連的。介電層110則設(shè)置于固態(tài)電解質(zhì)104與金屬 層108之間，其中介電層110的材料例如氧化硅(SiO》、氮化硅(SiN)或聚甲基丙烯酸甲酯 (Polymethylmethacrylate, P薩)。 在圖1中，介電層110可具有溝槽112，并使固態(tài)電解質(zhì)層104位于溝槽112內(nèi)。
圖1的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件100在擦除(erase)過程中，由于在第一電極層102 施加正電壓，與其連接的金屬層108會(huì)產(chǎn)生正電場，排斥分散于固態(tài)電解質(zhì)層104中的金屬 離子，使得相互連接的金屬細(xì)絲(Filament)易被打斷，增進(jìn)元件由低組態(tài)轉(zhuǎn)換至高組態(tài)的 效率，預(yù)期可改善元件的耐久力(Endurance)及減少切換時(shí)間(Switching time)。除此之 外，金屬層108也通過外接線路，以便在導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件100的擦除過程中產(chǎn)生正電 場。 圖2是依照本發(fā)明的實(shí)施例的另一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的剖面示意圖，其中 使用與圖1相同的元件符號(hào)來代表相同或相似的構(gòu)件。 請參照圖2，其中的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件200與圖1的差異在于金屬層108是雙 邊結(jié)構(gòu)，而固態(tài)電解質(zhì)層104則隨溝槽112輪廓覆蓋其內(nèi)表面。至于第二電極層106可根 據(jù)固態(tài)電解質(zhì)層104的形態(tài)，部分位在溝槽112內(nèi)。 圖3與圖4是圖2的金屬層108的兩種例子的俯視圖。在圖3中的金屬層108a是矩型的塊狀結(jié)構(gòu)，而圖4中的金屬層108b是略為彎曲的耳狀結(jié)構(gòu)。 另外，圖1或圖2的金屬層108也可有其它變形，如圖5所示。圖5是圖1或圖2 的部份放大圖，其中的金屬層108還包括一個(gè)尖端(tip)500，朝固態(tài)電解質(zhì)層104配置，用 以加強(qiáng)電場效果。 圖6A至圖6F是依照本發(fā)明的另一實(shí)施例的一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的制造流 程剖面示意圖。 請參照圖6A，先在第一電極層600上形成介電層602。前述第一電極層600的材 料為例如惰性金屬，如鉬(Pt)、鎢(W)、氮化鈦(TiN)或鎳。前述介電層602的材料例如氧 化硅(S叫)、氮化硅(SiN)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。 隨后，請參照圖6B，進(jìn)行曝光顯影與蝕刻，以在介電層602中形成第一溝槽604，其 曝露出第一電極層600的表面606。形成上述溝槽604所采用的蝕刻方式例如干式蝕刻或 濕式蝕刻。而且，在本實(shí)施例中雖顯示兩個(gè)第一溝槽604但是本發(fā)明不限于此，還可以是單 一個(gè)或是兩個(gè)以上的結(jié)構(gòu)。 然后，請參照圖6C，在第一溝槽604內(nèi)填滿會(huì)產(chǎn)生外加電場的金屬層608，其步驟 譬如是先于介電層602上以及第一電極層600的表面606上沉積金屬層608，再利用化學(xué)機(jī) 械拋光(CMP)方式去除介電層602表面的金屬層608。上述金屬層608為可導(dǎo)電的金屬復(fù) 合材料或金屬材料。 接著，請參照圖6D，進(jìn)行曝光顯影與蝕刻，以在第一溝槽604旁的介電層602中形 成第二溝槽610，且第二溝槽610曝露出第一電極層600的表面606。在本實(shí)施例中，第二 溝槽610的尺寸大于第一溝槽604的尺寸。另外，本實(shí)施例的金屬層608為雙邊結(jié)構(gòu)，因此 溝槽610可被形成于雙邊結(jié)構(gòu)之間。 此外，第二溝槽610與第一溝槽604之間的介電層602的寬度w愈小愈好，可使第 一溝槽604中的金屬層608產(chǎn)生較顯著的電場效果。而形成上述第二溝槽610所采用的蝕 刻方式例如干式蝕刻或濕式蝕刻。 再來，請參照圖6E，在介電層602上、第二溝槽610的內(nèi)壁與第一電極層600的表 面606上共形地沉積固態(tài)電解質(zhì)層612，其材料譬如硫?qū)倩衔?Chalcogenide)，如鍺硒化 合物(Ge-Se)或鍺硫化合物(Ge-S);或硫化銀(Ag2S)、硫化銅(Cu2S)、氧化鉭(Ta205)、氧化 鎢(W203)或氧化硅(Si02)等。之后，在固態(tài)電解質(zhì)層612上沉積第二電極層614，其材料譬 如銀(Ag)或銅(Cu)等。 然后，請參照圖6F，可去除第二溝槽610以外的固態(tài)電解質(zhì)層612以及第二電極層 614，但只要固態(tài)電解質(zhì)層612不會(huì)與金屬層608接觸，仍舊可以在第二溝槽610以外的介 電層602上留有部份固態(tài)電解質(zhì)層612及第二電極層614。而去除上述固態(tài)電解質(zhì)層612 及第二電極層614的方式譬如干式蝕刻或濕式蝕刻。 綜上所述，本發(fā)明在原有的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件中加入會(huì)產(chǎn)生外加電場的金 屬層，所以可在擦除過程中對第一電極層施加正電壓時(shí)，使與第一電極層連接的金屬層 產(chǎn)生正電場，排斥分散于固態(tài)電解質(zhì)層中的金屬離子，以加速打斷相互連接的金屬細(xì)絲 (Filament)，增進(jìn)元件由低組態(tài)轉(zhuǎn)換至高組態(tài)的效率，進(jìn)而改善元件的耐久力及減少切換 時(shí)間。 雖然本發(fā)明已以實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，故本發(fā)明的 保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件包括第一電極層；固態(tài)電解質(zhì)層，設(shè)置于該第一電極層上；第二電極層，設(shè)置于該固態(tài)電解質(zhì)上；金屬層，設(shè)置于該固態(tài)電解質(zhì)旁；以及介電層，設(shè)置于該固態(tài)電解質(zhì)與該金屬層之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該介電層具有溝槽。
3. 如權(quán)利要求2所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該固態(tài)電解質(zhì)層位于該 溝槽內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求2所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該固態(tài)電解質(zhì)層覆蓋該 溝槽的內(nèi)表面。
5. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該金屬層與該第一電極 層電性相連。
6. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該金屬層還包括至少一 尖端，朝該固態(tài)電解質(zhì)層配置。
7. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該金屬層為單邊結(jié)構(gòu)。
8. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該金屬層為雙邊結(jié)構(gòu)。
9. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該金屬層的材料為可導(dǎo) 電的金屬復(fù)合材料或金屬材料。
10. 如權(quán)利要求l所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該第一電極層的材料包 括惰性金屬。
11. 如權(quán)利要求IO所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該惰性金屬包括鉑、 鎢、氮化鈦或鎳。
12. 如權(quán)利要求l所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該介電層的材料包括氧 化硅、氮化硅或聚甲基丙烯酸甲酯。
13. 如權(quán)利要求l所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該固態(tài)電解質(zhì)層的材料 包括硫?qū)倩衔锘蛄蚧y、硫化銅、氧化鉭、氧化鎢或氧化硅。
14. 如權(quán)利要求13所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該硫?qū)倩衔锇ㄦN 硒化合物或鍺硫化合物。
15. 如權(quán)利要求l所述的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件，其特征在于該第二電極層的材料包 括銀或銅。
16. —種制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于該方法包括 在第一電極層上形成介電層；進(jìn)行曝光顯影與蝕刻，以在該介電層中形成至少一第一溝槽； 在該第一溝槽內(nèi)填滿金屬層；進(jìn)行曝光顯影與蝕刻，以在該第一溝槽旁的該介電層中形成第二溝槽，該第二溝槽曝 露出該第一電極層的部分表面；在該第二溝槽內(nèi)沉積固態(tài)電解質(zhì)層；以及 在該固態(tài)電解質(zhì)層上沉積第二電極層。
17. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于形成該第 一溝槽的步驟包括使該第一溝槽曝露出該第一電極層的表面。
18. 如權(quán)利要求17所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于沉積該固 態(tài)電解質(zhì)層的步驟包括在該介電層上、該第二溝槽的內(nèi)壁與該第一電極層的該表面上共形 地沉積該固態(tài)電解質(zhì)層。
19. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于形成該第 一溝槽與該第二溝槽所采用的蝕刻方式包括干式蝕刻或濕式蝕刻。
20. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于沉積該第 二電極層之后還包括去除該第二溝槽以外的該固態(tài)電解質(zhì)層以及該第二電極層。
21. 如權(quán)利要求20所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于去除該第 二溝槽以外的該固態(tài)電解質(zhì)層以及該第二電極層的方式包括干式蝕刻或濕式蝕刻。
22. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于在該第一溝槽內(nèi)填滿該金屬層的步驟包括在該介電層上以及該第一電極層的該表面上沉積該金屬層；以及 以化學(xué)機(jī)械拋光方式去除該介電層表面的該金屬層。
23. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于當(dāng)該金屬 層為雙邊結(jié)構(gòu)時(shí)，在該雙邊結(jié)構(gòu)之間的該介電層中形成該第二溝槽。
24. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于該金屬層 為可導(dǎo)電的金屬復(fù)合材料或金屬材料。
25. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于該第一電極層的材料包括惰性金屬。
26. 如權(quán)利要求25所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于該惰性金 屬包括鉑、鎢、氮化鈦或鎳。
27. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于該介電層 的材料包括氧化硅、氮化硅或聚甲基丙烯酸甲酯。
28. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于該固態(tài)電 解質(zhì)層的材料包括硫?qū)倩衔锘蛄蚧y、硫化銅、氧化鉭、氧化鴇或氧化硅。
29. 如權(quán)利要求28所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于該硫?qū)倩?合物包括鍺硒化合物或鍺硫化合物。
30. 如權(quán)利要求16所述的制造導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的方法，其特征在于該第二電 極層的材料包括銀或銅。
全文摘要
一種導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器(CBRAM)元件及其制造方法，其中的導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件包括第一電極層、介電層、固態(tài)電解質(zhì)層、第二電極層以及金屬層。上述固態(tài)電解質(zhì)層是位于第一電極層上，第二電極層是位于固態(tài)電解質(zhì)層上，至于金屬層是位于固態(tài)電解質(zhì)層旁。而介電層是在固態(tài)電解質(zhì)層與金屬層之間。由于導(dǎo)通微通道存儲(chǔ)器元件的固態(tài)電解質(zhì)層旁配置有金屬層，所以可在擦除過程中使金屬層產(chǎn)生正電場，加速打斷相互連接的金屬細(xì)絲。
文檔編號(hào)G11C11/21GK101794860SQ200910009980
公開日2010年8月4日 申請日期2009年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月4日
發(fā)明者林哲歆, 王慶鈞 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院