電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置及其制造方法，特別是關(guān)于一種具有高可靠度的電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電阻式非易失性存儲(chǔ)器(RRAM)因具有功率消耗低、操作電壓低、寫(xiě)入抹除時(shí)間短、耐久度長(zhǎng)、記憶時(shí)間長(zhǎng)、非破壞性讀取、多狀態(tài)記憶、元件制作工藝簡(jiǎn)單及可微縮性等優(yōu)點(diǎn)，所以成為新興非易失性存儲(chǔ)器的主流?，F(xiàn)有的電阻式非易失性存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)為底電極、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層及頂電極構(gòu)成的一金屬-絕緣體-金屬(metal-1nsulator-metal, MIM)疊層結(jié)構(gòu)，且電阻式非易失性存儲(chǔ)器的電阻轉(zhuǎn)換(resistive switching,RS)阻值特性為元件的重要特性。然而，電阻式非易失性存儲(chǔ)器的存取速度、儲(chǔ)存密度、以及可靠度仍受限于氧空缺(oxygen vacancy)分布區(qū)域的控制能力不佳而無(wú)法有效的提升。
[0003]因此，在此技術(shù)領(lǐng)域中，有需要一種非易失性存儲(chǔ)器及其制造方法，以改善上述缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供一種電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置及其制造方法，以提升電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的可靠度。
[0005]本發(fā)明的一實(shí)施例提供一種電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置。上述電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置包括一第一電極；一第二電極，設(shè)置于上述第一電極上；一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，設(shè)置于上述第一電極和上述第二電極之間，其中上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層包括一第一區(qū)域，具有一第一氮原子濃度；一第二區(qū)域，相鄰于上述第一區(qū)域，其中第二區(qū)域具有不同于上述第一氮原子濃度的一第二氮原子濃度。
[0006]本發(fā)明的一實(shí)施例提供一種電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的制造方法。上述電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的制造方法包括形成一第一電極材料層；于上述第一電極材料層上形成一電阻轉(zhuǎn)態(tài)材料層；將多個(gè)氮原子注入部分上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)材料層中；于上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)材料層上形成一第二電極材料層；利用一第一遮罩，進(jìn)行一圖案化工藝，移除部分上述第二電極材料層、上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)材料層和上述第一電極材料層以分別形成一第二電極、一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層和一第一電極，其中上述電阻轉(zhuǎn)態(tài)材料層包括一第一區(qū)域，具有一第一氮原子濃度；一第二區(qū)域，相鄰于上述第一區(qū)域，其中第二區(qū)域具有不同于上述第一氮原子濃度的一第二氮原子濃度。
[0007]由上述技術(shù)方案可得，本發(fā)明能夠減少電阻式非易失性存儲(chǔ)器對(duì)氧空缺分布區(qū)域的控制能力不佳的限制，從而有效的提升電阻式非易失性存儲(chǔ)器的存取速度、儲(chǔ)存密度、以及可靠度。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1顯示本發(fā)明的一實(shí)施例的電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的剖面示意圖。
[0009]圖2顯示本發(fā)明的另一實(shí)施例的電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的剖面示意圖。
[0010]圖3?圖7顯示本發(fā)明的一實(shí)施例的電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的中間工藝步驟的剖面示意圖。
[0011]圖8?圖9顯示本發(fā)明的另一實(shí)施例的電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的中間工藝步驟的剖面示意圖。
[0012]圖10?圖11顯示本發(fā)明的又一實(shí)施例的電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的中間工藝步驟的剖面示意圖。
[0013]圖12顯示本發(fā)明的一實(shí)施例的電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的剖面示意圖，其顯示位于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中氮原子的分布具有的一種功效。
[0014]圖13顯示本發(fā)明的一實(shí)施例的電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置的剖面示意圖，其顯示位于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中氮原子的分布具有的另一種功效。
[0015]圖中符號(hào)說(shuō)明:
[0016]500a、500b?電阻式非易失性存儲(chǔ)器裝置；
[0017]250a、250b?金屬-絕緣體-金屬疊層；
[0018]200?半導(dǎo)體基板；
[0019]202 ?電路；
[0020]204,218?層間介電層；
[0021]205、217 ?頂面；
[0022]206?第一電極接觸插塞；
[0023]216?第二電極接觸插塞；
[0024]208?第一電極；
[0025]210?電阻轉(zhuǎn)態(tài)層；
[0026]212?第二電極；
[0027]208a?第一電極材料層；
[0028]210a?電阻轉(zhuǎn)態(tài)材料層；
[0029]212a?第二電極材料層；
[0030]214?阻障襯墊層；
[0031]220?氮原子；
[0032]222?氧空缺；
[0033]224?阻障層；
[0034]224a?阻障材料層；
[0035]226,238?第一光阻圖案；
[0036]230?第二光阻圖案；
[0037]228 ?遮罩；
[0038]229、237?摻雜工藝；
[0039]232?第一區(qū)域；
[0040]234?第二區(qū)域；
[0041]236?絕緣層；
[0042]240?側(cè)壁損傷；
[0043]242?氧原子。
【具體實(shí)施方式】
[0044]為了讓本發(fā)明的目的、特征、及優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附圖示，做詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)提供不同的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明不同實(shí)施方式的技術(shù)特征。其中，實(shí)施例中的各元件的配置是為說(shuō)明之用，并非用以限制本發(fā)明。且實(shí)施例中圖式標(biāo)號(hào)的部分重復(fù)，是為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，并非意指不同實(shí)施例之間的關(guān)聯(lián)性。
[0045]本發(fā)明實(shí)施例提供一種非易失性存儲(chǔ)器，例如為一電阻式非易失性存儲(chǔ)器(RRAM)裝置，其于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的導(dǎo)電絲形成區(qū)域的外圍部分摻雜多個(gè)氮原子，上述多個(gè)氮原子可以作為障壁物，將提供導(dǎo)電絲形成的氧空缺局限于氮原子的所包圍的區(qū)域內(nèi)。位于導(dǎo)電絲形成區(qū)域的外圍的氮原子可以防止電阻轉(zhuǎn)態(tài)層在后續(xù)工藝中因破壞側(cè)壁損傷導(dǎo)電絲而降低RRAM的數(shù)據(jù)保存能力。位于導(dǎo)電絲形成區(qū)域的外圍的氮原子可以防止氧原子擴(kuò)散進(jìn)入用以形成導(dǎo)電絲的氧空缺而導(dǎo)致RRAM的低電阻狀態(tài)電流下降，因而無(wú)法讀取RRAM的電阻狀態(tài)。
[0046]圖1顯示電阻式非易失性存儲(chǔ)器(RRAM)裝置500a的剖面示意圖。如圖1所示，RRAM裝置500a可設(shè)置于例如硅基板的一半導(dǎo)體基板200上，并可連接至設(shè)置于半導(dǎo)體基板200上的一電路202。也可于上述半導(dǎo)體基板200上設(shè)置其他多種分離的電子元件，上述電子元件可為包括晶體管、二極管、電容、電感、以及其他主動(dòng)或非主動(dòng)半導(dǎo)體元件。RRAM裝置500a的主要元件包括一第一電極接觸插塞206、一第一電極208、一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層210、一第二電極212和一第二電極接觸插塞216。上述第一電極208、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層210和第二電極212一起構(gòu)成一金屬-絕緣體-金屬(M頂)疊層250a。
[0047]如圖1所示，第一電極接觸插塞206設(shè)置于上述半導(dǎo)體基板200上，且電連接至設(shè)置于半導(dǎo)體基板200上的電路202。第一電極接觸插塞206穿過(guò)設(shè)置于上述半導(dǎo)體基板200上的層間介電層204。在本發(fā)明一些實(shí)施例中，電路202用以對(duì)RRAM裝置500a施加操作電壓。電路202可為包括晶體管、二極管、電容、電阻等電子元件組合的電路。第一電極接觸插塞206的材質(zhì)可包括鎢(W)。
[0048]如圖1所不，第一電極208設(shè)置于上述第一電極接觸插塞206上,且接觸上述第一電極接觸插塞206。上述第一電極208可視為一底電極。因此,上述第一電極接觸插塞206可視為一底電極接觸插塞。在本發(fā)明一些實(shí)施例中，第一電極208的材質(zhì)可包括鋁、鈦、氮化鈦或上述組合?？衫秒娮邮婵照翦兓?yàn)R鍍法形成第一電極208。也可于形成第一電極208期間，于層間介電層204上形成多個(gè)導(dǎo)電圖案。
[0049]如圖1所示，第二電極212設(shè)置于上述第一電極208上方。上述第二電極212可視為一頂電極。上述第一電極接觸插塞206和第二電極212可具有相同或相似的材質(zhì)和形成方式。
[0050]如圖1所示，第二電極接觸插塞216設(shè)置于上述第二電極212上方，且接觸上述第二電極212。上述第二電極接觸插塞216可視為一頂電極接觸插塞。上述第一電極208和第二電極接觸插塞216可具有相同或相似的材質(zhì)和形成方式。
[0051]如圖1所示，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層210設(shè)置于上述第一電極208上，且位于上述第一電極208和第二電極212之間。電阻轉(zhuǎn)態(tài)層210接觸上述第一電極208和第二電極212。電阻轉(zhuǎn)態(tài)層210的材質(zhì)可包括二氧化鉿、氧化鋁、鉻摻雜的鈦酸鍶、鉻摻雜的鋯酸鍶、二氧化鋯薄膜?？衫迷訉映练e法(ALD)形成電阻轉(zhuǎn)態(tài)層210。
[0052]如圖1所示，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層210可包括彼此相鄰的一第一區(qū)域232和一第二區(qū)域234。如圖1所示，第一區(qū)域232設(shè)計(jì)為提供導(dǎo)電絲形成的氧空缺222的分布區(qū)域。因此