專利名稱：電阻存儲器以及形成電阻存儲器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半"l^器件及其形成方法，更特別地，本發(fā)明涉及電阻半，器件 ^其形成方法。
背景技術：
半導#賭器可根據(jù)在務賭器中保持務賭的數(shù)據(jù)是否需要電源而分為易失存
儲器和非易失^fH者器。易失^##器，例如DRAM或SRAM可擁有快速的處Si4^, 易失##器可能需要電源以^4數(shù)據(jù)，^T、限于此。非易失^#器，例如相變^H諸 器(PRAM)、電阻務賭器(RRAM)、鐵電44者器(FRAM)等，可不需要電源以 絲數(shù)據(jù)。
電阻務賭器(PRAM)可包括一個或多個可變電阻氧化層?？勺冸娮柩趸瘜拥?電P且響應禾踏電壓而改變，該程序電壓^"l^在可變電阻l^匕層相對側的上部電極和 /或下部電極?？勺冸娮柩趸瘜拥碾娮杪?specific resistance)仿瀨程序電壓的幅度可 改變直到超過100倍。可變電阻氧化層的電阻率即使在不供給電源電壓時也可以保 持。為了讀出^f諸在RRAM單元中的數(shù)據(jù)，基于可變電阻氧^^的電阻率的差另，J, 可檢測到通過可變電阻氧化層的電壓改變和/或電流改變。因此，可確定記錄在可變 電阻氧化層上的數(shù)據(jù)^4邏幹T，或是邏輯"0"。
當可變電阻氧化層從高阻狀態(tài)轉變到《氐阻狀態(tài)時，大量的電流在器件中流動。 這可能導致可變電阻氧化層的絕緣擊穿，而電阻 器的可靠性可能削弱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的具體實施例涉及電P且^fll器及其形成方法。在一些具體實施例中，電 FiM^賭器包括包括導電圖案(conductivepattern)的半"f^M于底，在半^^H"底上 包括接觸孔的^^彖層，在接觸孔內(nèi)且與導電圖案相接觸的下部電極，設置在接觸孔 內(nèi)在下部電極上的中間電極，在下部電極和中間電極之間的可變電阻氧化層，在絕 》彖層和中間電核上的緩沖氧^^,以;5^i爰沖氧^^上的上部電才及。
在一些實施例中，形成電阻^ff者器的方法包括在包括導電圖案的半^H"底上形成絕鄉(xiāng)彖層，在鄉(xiāng)&彖層內(nèi)形成接觸孔以暴露導電圖案，在接觸孔內(nèi)形成下部電極,
在接觸孔內(nèi)在下部電才iLL形成可變電阻氧化層，在接觸孔內(nèi)可變電阻氧化層上形成中間電級，在中間電極和絕緣層上形威嚴沖氧化層，以及x^i爰沖氧化層上形成上部電極。


本申請包括附圖以提供對于發(fā)明的進一步理解，附圖結合在本申請中并組成本
申請的-~^分，附圖闡明了本發(fā)明的特定實施例。在圖中
圖l是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，闡明了電FiWH^器的實施例的才黃截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，闡明了電PiWH諸器的轉換特性的圖表。
圖3到圖7是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，闡明了電阻務賭器和形成電阻務賭器
的方法的4黃截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例將在下文中參照附圖更加完整的加以描述，其中示出了本發(fā)明的^實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式異休實施，并且不能解釋為限定于此處闡明的實施例。更確切地，提供這些實施例以使得本申請的公開全面和完整，并且將向本領域的技^A員充分;M"ii^發(fā)明的范圍。在圖中，為了清楚而夸大了層和區(qū)域的厚度。同樣的標號始終指定給同樣的元件。
可以理解的是，當提到元件或層"在另一個元件或層上"，"連接到，，或"津給到，，另一個元件或層，其可直4妾在其它元件上、連接到或^^到其它元件，或者可以存在介7^t件或層。相反地，當提到元件"直接在另一個元件或層上"，"直接連接到"或"直4鈕給到"另一個元件或層，將不會存在介/^t件或層。此處所<細的術語"和/或"包括一個或多個相關所列項目的^i可和所有結合。
可以理解的是，雖然術語第一、第二、第三等jH^J:可用于描述不同的元件、成分、區(qū)域、層和/或部分，這些元件、成分、區(qū)域、層和/或部分并不被這些術語所限定。這些術語只^I于區(qū)h個元件、成分、區(qū)域、層或部分與另一個區(qū)域、層或部分。因此，下面討論的第一元件、成分、區(qū)域、層或部分可稱為第二元件、成分、區(qū)域、層或部分而沒有偏離本發(fā)明的^:導。
與空間相關的術語，例如"之下"，"下面"，"底部"，"下部"，"上方"，"頂部"，"上部"等等，oH^h可用于使描述筒單，以描述如圖中所示出的一個元件或特征與另一個元件或特征的關系?？梢岳斫獾氖牵c空間相關的術洽試圖在除了圖中所描述的方位0卜又包含在^^]或操作中器件的不同方位。例如，如果在圖中器件翻轉，描述為其它元件或特征"下面"或"之下"的元件，其方位纟憐為在其它元件或特征"上方"。因此，示范,li^語"下面"可包括'上方"和"下面"兩種方位。器件的方位可以不
同(旋轉90度或其它方位)，此處使用的與空間相關的描述將據(jù)jtbi^f^釋。同樣，如此處所4錢的，"才黃向"指完^直于垂直方向的方向。
此處^^]的術語學只用于描述特定的實施例，并JU殳有試圖限定本發(fā)明。如此處所<線的，單數(shù)形式"一個"和"那個"也試圖包括復數(shù)形式，除了上下文清楚指示的除外。進一步可以理解的是，術語"包^"，當在此說明書中^^]時，指定所述特征、糾、步驟、操作、元件和/或成分的存在，但并不排除一個或多個其它特征、餅、步驟、樹乍、元件、成，或其齡的存在或增加。
此處參照沖黃截面圖描ii4v發(fā)明的M實施例，所述橫截面圖是本發(fā)明理想化實施例(以及中間結構)的示意圖。同樣的，可預期作為例如制造工藝和/或容限的結果圖示形狀的改變。因此，本發(fā)明的M實施例不應該解釋為限定于此處所示區(qū)域的特定形狀，而是包括例如制it^斤產(chǎn)生的形狀的偏差。例如，作為長方形示出的注入?yún)^(qū)域典型地具有圓形或曲線特4￡^/或在它的邊緣處具有注7vi農(nóng)度的梯度，而不是從注入?yún)^(qū)ii^'J未注入?yún)^(qū)域的二元改變。相似的，通過注入形成的掩埋區(qū)域可導致在所述掩埋區(qū)域與M注入的表面之間的區(qū)^^生某些注入。因此，圖中示出的區(qū)域本質(zhì)上^_示意性的，并且它們的形狀沒有試圖示出器件的區(qū)域的確切形狀，也沒有試圖限制本發(fā)明的范圍。
除非另外定義，此處使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)的意義與本發(fā)明所4^支術領域的"f^i支術人員的通常理解相同。因此，這些術語包括在此時之后所創(chuàng)造的等同術語?？蛇M一步理解的是這些術語，例如在常用字典中定義的，將
解釋為與在本說明書和相關領域的上下文中的意義相一致的意義，并且不能解釋為
理想/化的或完全形式的意義，除非此處明確地進行定義。
參照圖1,將描述根據(jù)本發(fā)明的一些具體實施例的電阻4^者器。提供包括導電圖案(conductivepattern) 105的半"I^N"底100。具有接觸孔115
的絕緣層110設置在半"I^H"底100上。在接觸孔115內(nèi)設置下部電極120,以使
得下部電極120與導電圖案105接觸。下部電極120可包括例如，TiN、 Ru、 Ir、
Ni、鈷鐵硼*、鎳鐵^i^/或鉭。
在接觸孔115內(nèi)在下部電極120上設置中間電極140。中間電極140可包括
例如，Ru、 Ir、 Ni、鈷鐵硼合金、鎳鐵^r^/或鉭。在一些實;^例中，中間電初U40可包括第一中間電極140a和在第一中間電極140a上的第二中間電極140b，第一中間電極140a包括4S^p/或Ru,并且第二中間電極140b包括鈷鐵硼*。
可變電阻氧化層130插4下部電極120和中間電極140之間。可變電阻氧化層130可包括例如，氧4t4太?？勺冸娮柩趸瘜?30可具有大約5A到大約30A間的薄厚度。當電流密^i過lxl(/A/cn^時，這樣的薄厚度可用于減少可變電阻氧化層130中的絕緣擊穿。此外，可變電阻氧化層130可具有小于大約100nm的M,例如，在大約10nm到大約60nm之間。佳月這樣小的t^因為如果可變電阻氧化層130的寬度大，當可變電阻氧4t^ 130的狀態(tài)轉變?yōu)榈妥锠顟B(tài)(即，置位狀態(tài)(setstate))時，大量電流流動，從而可能導致可變電阻氧化層130的絕緣擊穿。
緩沖氧化層150設置在中間電極140和《&彖層110上。緩沖氧化層150可包括例如，氧化鎂、氧4b4太、和/或氧化鋁。緩沖氧化層150可幫助提供電阻務賭器的可靠轉換才斜乍(switchingoperation)。例如，當可變電阻氧^y^ 130從高阻狀態(tài)轉換為低阻狀態(tài)時，緩沖氧化層150可控制魏電流。緩沖氧^Jr 150的厚錢大約5A到大約30A，這可使得電流盡可能多地穿過可變電阻氧化層130。
上部電極160設置在緩沖氧化層150上。上部電極160可包括例如，鈷鐵硼#。具有緩沖氧化層150和中間電極140的電卩JL^f諸其可具有穩(wěn)定、可靠的轉換捧〖生。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的^i渚器的轉換才剩乍的圖表。在圖2中，x軸表示電壓值，左側y軸表示電阻值，并且右側y軸表示電流值。虛線①-④是電阻-電壓曲線，并且實線(D -③是電壓-電流曲線。
在圖2的右側，示出了從高阻狀態(tài)到低l!a^態(tài)(置位狀態(tài))轉換的過程，OV作為參考值。在電阻-電壓曲線中，當器件從過程(D4爭換到過程②時，電阻值減小。在電壓-電流曲線中，當器件從過程@轉換到過程 時，電流值增大。當器件轉換為低阻狀態(tài)時，緩沖氧化層可減少和/或防止器件中的過載電流。因此，可靠的轉換#^[乍^_可能的。
在圖2的左側，示出了從低阻狀態(tài)到高P且狀態(tài)(即，復位狀態(tài)(resetstate))轉換的過程，OV作為參考值。在電阻-電壓曲線中，當器件從過程@#換到過程 時，電阻值增大。在電壓-電流曲線中，當器件從過程 轉換到過程@時，電流值減小。在低阻狀態(tài)下，緩沖氧化層可減少或防止ii^l電流。如圖2所示，在低阻狀態(tài)下，測量得到大約10、的低電流值。
參照圖3到圖7,描述才財居本發(fā)明的一些實施例而形成電PL^賭器的方法。參照圖3,提供包括導電圖案105的半^H"底100。絕緣層110形^^半導
7刷十底100上。絕緣層110可由例如氧ft^圭形成。在絕緣層110中可形成接觸孔115以暴露導電圖案105。接觸孔115的f^W小于大約100nm,例如，大約10nm到大約60nm。形^接觸孔115中的圖案的寬度^l負于接觸孔115的M W。
參照圖4，下部電極120形^jfe接觸孔115中。下部電極120可包括例如，TiN、 Ru、 Ir、 Ni、鈷鐵硼合金、鎳鐵^^口/或鉭。通過佳冗初始下部電極層填充接觸孔并使初始下部電極凹進去而可形成下部電極120。例如，4姿順序通過形成初始下部電才1^,并在初始下部電才iLb^f亍平面化處理和深蝕刻(etch back)處理而可形成下部電極120。
在下部電極120上形成可變電阻氧化層130?？勺冸娮柩趸瘜?30的厚度可為大約5A到大約30A?？赏╥tll化下部電極120來形成可變電阻氧化層130。例如，可通it;顯式清潔(wetcleaning)下部電極120和/或^/f亍下部電極120的等離子體氧化(plasma oxidation)或自由MU匕(radical oxidation)而形成可變電阻氧化層130。
參照圖5和圖6，在接觸孔115中在可變電阻氧化層130上形成中間電極140。中間電極140可包括例如，Ru、 Ir、 Ni、鈷鐵 ^、鎳鐵^r^/或鉭。在一些實施例中，中間電極140可包括第一中間電極和在第一中間電feJi的第二中間電極。第一中間電極可包括例如，4af口/或Ru，并且第二中間電極可包括例如，鈷鐵
通過重復i4^ft^i口、和離子束蝕刻工藝可形成中間電極140 (見圖6)。換句話說，在接觸孔115中通itiX4口、第一、第二和第三初始中間電極140a、 140b和140c，并接著重復i^y丸行離子束蝕刻工藝，可形成中間電極140?？蛇x擇地，通過形成填^f妄觸孔115的中間電極層，接著才Af亍平面化處理，可形成中間電極140。
參照圖7，在中間電極140和絕緣層110上形^Ji沖氧化層150。緩沖氧4^150可由例如氧化鎂形成。在緩沖氧化層150上形成上部電極160。上部電極160可由例如無定形的鈷鐵硼M形成。當緩沖氧化層150由氧化鎂形成時，為了提高氧化鎂的結晶化，中間電極140可由例如無定形的鈷鐵硼^r^成。
根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，在接觸孔115形成后，在接觸孔115中形成下部電極120、可變電阻氧^^130以及中間電極140。因而，可消P佘將下部電極120、可變電阻氧化層130和中間電極140構圖(pattern)成非常小的尺寸的需要。因此，可減少和/或消除在構圖過程中可負汰生的電短路、側壁損壞和/或蝕刻傾斜的問題。
在本發(fā)明的一些實施例中，在電卩iM^f諸器中提供緩沖氧化層和中間電極。通過緩沖氧化層，可減少或阻止可變電阻氧化層的絕緣擊穿，并且可保i財急定的轉換特性。當電卩JL4^渚器的下部電極、可變電阻氧化層以及中間電極形^^接觸孔內(nèi)時，
可以不需要構圖(patterning),因此，可提高電卩iL^諸器的可靠性。
雖然本發(fā)明已結合附圖中示出的本發(fā)明的實施例加以說明，但不4iot匕P艮制。對 于本領域技術人員明顯的是，在沒有偏離本發(fā)明的范圍禾—射中時，可對其作出各種 置換、更正和改變。
本申請要求2007年9月10日在韓國知識產(chǎn)一又局申請的韓國專利申請 No. 10-2007-0091660的優(yōu)先4又，其公開內(nèi)容通過引用加以結合。
權利要求
1. 一種電阻存儲器，包括半導體襯底，包括導電圖案；絕緣層，位于所述半導體襯底上，所述絕緣層包括接觸孔；下部電極，位于所述接觸孔內(nèi)并與所述導電圖案相接觸；中間電極，位于所述接觸孔內(nèi)所述下部電極上；可變電阻氧化層，位于所述下部電極和所述中間電極之間；緩沖氧化層，位于所述絕緣層和所述中間電極上；以及上部電極，位于所述緩沖氧化層上。
2. 如權利要求1所述的電阻務賭器，其中，通過所iil爰沖氧化層將所述中間 電才及禾口所i^Ji部電;fejDt匕分離。
3. 如權矛J^"求l所述的電阻^f渚器，其中，所述可變電阻氧^J:包括氧化汰。
4. 如權利要求l所述的電卩JL^fi者器，其中，所述可變電阻氧"i^具有大約5A 與大約30A之間的厚度。
5. 如權利要求1所述的電阻務賭器，其中，所述可變電阻氧化層具有大約10nm 與大約60nm之間的H。
6. 如權利要求1所述的電卩iL^i者器，其中，所iil爰沖氧化層包括氧化鎂、 氧似太和/或氧化鋁。
7. 如權利要求1所述的電FiL^ft器，其中，所述下部電極包括TiN、 Ru、 Ir、 Ni、鈷鐵硼*、鎳鐵^r^/或鉭。
8. 如權利要求l所述的電I^JL^fi者器，其中，所述中間電才及包括Ru、 Ir、 Ni、 鈷鐵硼*、鎳鐵^^口/或鉭。
9. 如權利要求1所述的電FJL^^者器，其中，所述中間電極包括第一中間電極 和在所述第一中間電^Lh的第二中間電極，所述第一中間電極包括42^/或Ru,并 jl;斤述第二中間電極包括鈷鐵硼M。
10. —種形成電阻務賭器的方法，包4舌以下步驟 在包括導電圖案的半#^#底上形成絕緣層； 在所必色緣層中形成接觸孑L,所述接觸孑L^露所述導電圖案； 在所述接觸孔內(nèi)形成下部電極；在所述接觸孔內(nèi)在所述下部電4 Lh形成可變電阻氧化層；在所述接觸孔內(nèi)在所述可變電阻氧化層上形成中間電極； 在所述中間電極和所必色緣層上形^Ji沖氧化層；以及 在所iil爰沖氧化層上形成上部電極。
11. 如權利要求10所述的方法，其中，形成所述接觸孔以使其^^在大約10nm 與大約60ran之間。
12. 如權利要求10所述的方法，其中，所述下部電極包括T1N、 Ru、 Ir、 Ni、 鈷鐵硼*、鎳鐵^r^/或鉭。
13. 如權利要求12所述的方法，其中，形成下部電極的步驟包括在所述接觸孔內(nèi)形成初始下部電才AJ:;以及使所述初始下部電極凹進去。
14. 如權利要求12所述的方法，其中，形成可變電阻IU^的步驟包括氧 化所述下部電極。
15. 如權利要求14所述的方法，其中，形成可變電阻氧化層以使其￡>1在大 約5A與大約30A之間。
16. 如權利要求10所述的方法，其中，通過重復^^只和離子束蝕刻工藝形成 所述中間電極。
17. 如權利要求10所述的方法，其中，所述中間電極包括Ru、 Ir、 Ni、鈷鐵 硼#、鎳鐵^H口/或鉭。
18. 如權利要求17所述的方法，其中，所述中間電極包括第一中間電極和在 所述第一中間電扨上的第二中間電極，所述第一中間電極包括#/或Ru，并ili斤 述第二中間電極包括鈷鐵硼*。
19. 如權利要求10所述的方法，其中，形成所述緩沖氧化層以使其厚度在大 約5A與大約30A之間。
20. 如權利要求19所述的方法，其中，所述緩沖氧化層包括氧^/4美。
21. 如權利要求20所述的方法，其中，所述中間電極和所iiJi部電極中的每 個包括無定形的鈷鐵硼*。
全文摘要
本發(fā)明提供一種形成電阻存儲器的方法，包括在包括導電圖案的半導體襯底上形成絕緣層，在絕緣層內(nèi)形成接觸孔以暴露導電圖案，在接觸孔內(nèi)形成下部電極，在接觸孔內(nèi)在下部電極上形成可變電阻氧化層，在接觸孔內(nèi)在可變電阻氧化層上形成中間電極，在中間電極和絕緣層上形成緩沖氧化層，以及在緩沖氧化層上形成上部電極。本發(fā)明也公開了相關電阻存儲器。
文檔編號H01L45/00GK101459220SQ200810189889
公開日2009年6月17日 申請日期2008年9月10日 優(yōu)先權日2007年9月10日
發(fā)明者南坰兌, 吳世忠, 李將銀, 沈賢準, 鄭峻昊, 金大謙 申請人:三星電子株式會社