本發(fā)明關(guān)于RRAM裝置，更特別關(guān)于其MIM堆疊結(jié)構(gòu)與其形成方法。

背景技術(shù)：

電阻式非揮發(fā)性存儲器(RRAM)因具有功率消耗低、操作電壓低、寫入擦除時間短、耐久度長、存儲時間長、非破壞性讀取、多狀態(tài)存儲、元件工藝簡單、及可微縮性等優(yōu)點(diǎn)，所以成為新興非揮發(fā)性存儲器的主流。電阻式非揮發(fā)性存儲器的基本結(jié)構(gòu)為底電極、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層及頂電極構(gòu)成的金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal,MIM)疊層結(jié)構(gòu)，且電阻式非揮發(fā)性存儲器的電阻轉(zhuǎn)換(resistive switching，RS)阻值特性為元件的重要特性。一般為了形成MIM堆疊的陣列，往往形成整層的底電極層、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層、與頂電極層后，再以光刻工藝搭配刻蝕工藝圖案化上述層狀物以定義多個MIM堆疊。然而刻蝕工藝往往會損傷MIM堆疊的側(cè)壁而劣化MIM堆疊的性質(zhì)。

綜上所述，目前亟需新的RRAM裝置及其制造方法，以改善上述缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決刻蝕工藝往往會損傷MIM堆疊的側(cè)壁而劣化MIM堆疊的性質(zhì)的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種RRAM裝置與其形成方法。

本發(fā)明一實(shí)施例提供的RRAM裝置，包括：底電極，位于氧化物層中；多個介電凸塊，位于氧化物層上，且底電極位于相鄰的兩個介電凸塊之間；電阻轉(zhuǎn)態(tài)層，順應(yīng)性地位于介電凸塊、氧化物層、與底電極上；導(dǎo)電儲氧層，位于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層上；以及氧擴(kuò)散阻障層，位于導(dǎo)電儲氧層上。

本發(fā)明一實(shí)施例提供的RRAM裝置的形成方法，包括：形成底電極于氧化物層中；形成多個介電凸塊于氧化物層上，且底電極位于相鄰的兩個介電凸塊之間；順應(yīng)性地形成電阻轉(zhuǎn)態(tài)層于介電凸塊、氧化物層、與底電極上；形成導(dǎo)電儲氧層于電阻轉(zhuǎn) 態(tài)層上；以及形成氧擴(kuò)散阻障層于導(dǎo)電儲氧層上。

由于本發(fā)明的介電凸塊可增加相鄰的MIM堆疊的導(dǎo)電儲氧層中的來自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層氧原子的遷移路徑，甚至截?cái)嘞噜彽腗IM堆疊的導(dǎo)電儲氧層，因此可有效改善相鄰MIM堆疊互相干擾的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中，MIM堆疊的示意圖。

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中，MIM堆疊的示意圖。

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中，MIM堆疊的示意圖。

圖4A至圖4C是本發(fā)明一實(shí)施例中，MIM堆疊的工藝示意圖。

圖5A至圖5B是本發(fā)明一實(shí)施例中，MIM堆疊的工藝示意圖。

圖6A至圖6B是本發(fā)明一實(shí)施例中，MIM堆疊的工藝示意圖。

附圖標(biāo)號：

8 晶體管

8D 漏極

8G 柵極

8S 源極

10 基板

11 氧化物層

13 底電極

14 介電凸塊

15 電阻轉(zhuǎn)態(tài)層

16、18 氧擴(kuò)散阻障層

17 導(dǎo)電儲氧層

18A TiN層

18B TiON層

18C TiN層

具體實(shí)施方式

為解決已知工藝造成的問題，可采用圖1所示的結(jié)構(gòu)。首先形成晶體管于基板10上。在一實(shí)施例中，柵極8G形成于基板10上，而源極8S與漏極8D形成于基板10中并與柵極8G的兩側(cè)相鄰。值得注意的是，上述晶體管8僅用以說明而非局限本發(fā)明。接著形成氧化物層11于基板10與晶體管上，并以光刻工藝搭配刻蝕工藝形成開口于氧化物層11中，以露出部份漏極8D。沉積底電極層于氧化物層11上及開口中，再以平坦化工藝移除氧化物層11其上表面上的底電極層，即形成底電極13以接觸晶體管8(如漏極8D)。之后形成整層的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15、導(dǎo)電儲氧層17(如Ti)、與氧擴(kuò)散阻障層18(比如TiN層18A/TiON層18B/TiN層18C)于氧化物層11及底電極13上。氧擴(kuò)散阻障層18為導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其TiN層18C可作為頂電極。

圖1所示的結(jié)構(gòu)可避免已知工藝中，圖案化底電極層、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層、與頂電極層以定義MIM堆疊時，刻蝕損傷MIM堆疊側(cè)壁的缺點(diǎn)。然而上述結(jié)構(gòu)中，相鄰的MIM堆疊極易互相干擾。舉例來說，當(dāng)施加寫入電壓至右側(cè)底電極13時，理論上只有對應(yīng)右側(cè)底電極13的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15的氧原子會遷移至對應(yīng)右側(cè)底電極13的導(dǎo)電儲氧層17中。然而對應(yīng)右側(cè)底電極13的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15的氧原子可能遷移至對應(yīng)左側(cè)底電極13的導(dǎo)電儲氧層17，干擾左側(cè)MIM堆疊的狀態(tài)。在底電極13之間的距離越小的情況下，上述干擾的問題會越嚴(yán)重。

在另一實(shí)施例中，采用介電凸塊解決上述氧原子遷移所造成的干擾問題。如圖2所示，先提供基板10如硅基板，并形成晶體管8于基板10上。接著形成氧化物層11于基板10上。在一實(shí)施例中，氧化物層11可為氧化硅，其形成方法可為熱氧化法、化學(xué)氣相沉積法、或其他合適方法。接著以光刻工藝搭配刻蝕工藝形成開口于氧化物層11中以露出晶體管8的漏極8D，再沉積底電極層于氧化物層11上及開口中。在一實(shí)施例中，底電極層可為鋁、鈦、氮化鈦(TiN)、或上述組合，其形成方法可為電子束真空蒸鍍(E-beam evaporation)、濺鍍法(sputtering)、或物理氣相沉積(PVD)。接著以平坦化工藝移除氧化物層11其上表面上的底電極層，即形成底電極13，其接觸晶體管8的漏極8D。在一實(shí)施例中，底電極13的厚度即氧化物層11的厚度介于10nm與100nm之間，其與氧化物層11的厚度相同。底電極13的頂部邊緣通常具有斜角(未圖示)，有利于避免銳角邊緣造成的高電場與電流累積。

接著形成介電凸塊14于氧化物層11上。如圖2所示，某一底電極13位于兩個相鄰的介電凸塊14之間。然而可以理解的是，某一介電凸塊14亦位于兩個相鄰的底 電極13之間。換言之，底電極13與介電凸塊14交錯排列。介電凸塊14可于x方向與y方向圍繞底電極13，且可相連成格狀。上述介電凸塊的形成方法為形成整層的介電層于底電極13及氧化物層11上，再以光刻工藝搭配刻蝕工藝圖案化介電層以定義介電凸塊14。在一實(shí)施例中，介電層與介電凸塊14的材料為氧化鋁(Al₂O₃)、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或類似物。

接著順應(yīng)性地形成電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15于介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上。在一實(shí)施例中，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15的材質(zhì)可為氧化鉿、氧化鈦、氧化鎢、氧化鉭、或氧化鋯。在一實(shí)施例中，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15的形成方法可為原子層沉積(ALD)。

接著順應(yīng)性地形成氧擴(kuò)散阻障層16于但阻轉(zhuǎn)態(tài)層15上。在一實(shí)施例中，氧擴(kuò)散阻障層16的形成方法為ALD。氧擴(kuò)散阻障層16可視情況形成，且某些實(shí)施例可省略氧擴(kuò)散阻障層。

接著順應(yīng)性地形成導(dǎo)電儲氧層17于氧擴(kuò)散阻障層16上。在一實(shí)施例中，導(dǎo)電儲氧層17可為鋁、鈦、或上述組合，其形成方法可為電子束真空蒸鍍、濺鍍法、或PVD。在一實(shí)施例中，底電極13與導(dǎo)電儲氧層17的材質(zhì)不同，比如底電極13為氮化鈦而導(dǎo)電儲氧層17為鈦。

接著順應(yīng)性地形成TiN層18A于導(dǎo)電儲氧層17上，再毯覆性地形成TiON層18B于TiN層18A上，最后再形成TiN層18C于TiON層18B上。上述TiN層18A、TiON層18B、與TiN層18C即組成氧擴(kuò)散阻障層18，可避免導(dǎo)電儲氧層17中的氧(來自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15)向上逃逸出導(dǎo)電儲氧層17。在此實(shí)施例中，TiON層18B的厚度介于5nm至8nm之間，而TiN層18A與18C的厚度介于9nm至12nm之間。若TiON層18B過薄，則無法有效避免自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15遷移至導(dǎo)電儲氧層17的氧，在未施加電壓的狀態(tài)下向上逃逸出導(dǎo)電儲氧層17的問題。若TiON層18B過厚，則會大幅增加整個MIM堆疊的電阻而增加RRAM裝置的驅(qū)動電壓，甚至使RRAM裝置失效。在一實(shí)施例中，TiN層18A與18C與TiON層18B的形成方法可為電子束真空蒸鍍、濺鍍法、或PVD。雖然圖示中的TiN層18C具有平坦上表面，但實(shí)際上亦可具有不平坦的上表面。在另一實(shí)施例中，TiN層18A可取代為厚度介于0.3nm至0.6nm之間的氧化鋁層，而TiON層18B可取代為厚度介于9nm至12nm的TiN層。上述氧化鋁層的形成方法可為ALD。若氧化鋁層過薄，則無法有效避免自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15遷移至導(dǎo)電儲氧層17的氧，在未施加電壓的狀態(tài)下向上逃逸出導(dǎo)電儲氧層17的問題。若氧 化鋁層過厚，則會大幅增加整個MIM堆疊的電阻而增加RRAM裝置的驅(qū)動電壓，甚至使RRAM裝置失效。

由于介電凸塊14的存在，自對應(yīng)某一底電極13的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15遷移至導(dǎo)電儲氧層17中的氧原子，無法如圖1的結(jié)構(gòu)般輕易遷移至對應(yīng)相鄰的底電極13的導(dǎo)電儲氧層17。簡言之，介電凸塊14可有效改善相鄰MIM堆疊的干擾問題。

圖3與圖2類似，差別在于介電凸塊14與部份(非全部)的底電極13重疊。圖3的結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步減少主動區(qū)的面積，進(jìn)而降低MIM堆疊的漏電流與驅(qū)動電壓?？梢岳斫獾氖牵琓iN層18A可取代為厚度介于0.3nm至0.6nm之間的氧化鋁層，而TiON層18B可取代為厚度介于9nm至12nm的TiN層。為了進(jìn)一步避免某一MIM堆疊的導(dǎo)電儲氧層17的氧原子(來自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15)遷移至相鄰的MIM堆疊的導(dǎo)電儲氧層17，可采用圖4A至圖4C的工藝形成MIM堆疊如下。首先，形成晶體管8于基板10上，形成氧化物層于晶體管8與基板10上，并形成底電極13于基板10上的氧化物層11中以接觸晶體管8的漏極8D。接著形成介電凸塊14于氧化物層11上。之后順應(yīng)性地依序形成電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15、氧擴(kuò)散阻障層16、導(dǎo)電儲氧層17、與TiN層18A于介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上，如圖4A所示。接著以平坦化工藝如CMP移除超出氧擴(kuò)散阻障層16的頂部的導(dǎo)電儲氧層17與TiN層18A，直到露出電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15上的氧擴(kuò)散阻障層16，如圖4B所示。之后毯覆性地形成TiON層18B于導(dǎo)電儲氧層17、TiN層18A、與露出的氧擴(kuò)散阻障層16上，如圖4C所示。接著形成TiN層18C于TiON層18B上，且TiN層18C可作為此MIM堆疊的頂電極，如圖4C所示。上述結(jié)構(gòu)的材料與形成方法與前述類似，在此不贅述。與圖2相較，圖4C中不同MIM堆疊的導(dǎo)電儲氧層17被介電凸塊14截?cái)?，可進(jìn)一步避免相鄰的MIM堆疊互相干擾。

在一實(shí)施例中，形成晶體管8于基板10上，形成氧化物層于晶體管8與10上，形成底電極13于基板10上的氧化物層11中以接觸晶體管8的漏極8D，接著形成介電凸塊14于氧化物層11上。底電極13位于兩個相鄰的介電凸塊14之間。之后順應(yīng)性地依序形成電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15、氧擴(kuò)散阻障層16、導(dǎo)電儲氧層17、與TiN層18A于介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上，如圖4A所示。接著以平坦化工藝如CMP移除超出氧擴(kuò)散阻障層16的頂部的導(dǎo)電儲氧層17與TiN層18A，直到露出介電凸塊14上的氧擴(kuò)散阻障層16，如圖4B所示。接著以TiN層18A作為刻蝕掩膜，并刻蝕 移除TiN層18A未覆蓋的導(dǎo)電儲氧層17，如圖5A所示。之后毯覆性地形成TiON層18B于TiN層18A與氧擴(kuò)散阻障層16上，再形成TiN層18C于TiON層18B上，且TiN層18C可作為此MIM堆疊的頂電極，如圖5B所示。上述結(jié)構(gòu)的材料與形成方法與前述類似，在此不贅述。在圖5B中，不同MIM堆疊的導(dǎo)電儲氧層17被介電凸塊14截?cái)?，且?dǎo)電儲氧層17與介電凸塊14之間隔有部份氧擴(kuò)散阻障層18(TiON層18B)與氧擴(kuò)散阻障層16，可進(jìn)一步避免相鄰的MIM堆疊互相干擾。此外，上述工藝進(jìn)一步縮小導(dǎo)電儲氧層17的面積(主動區(qū)面積)，可降低MIM堆疊的漏電流與驅(qū)動電壓。

在一實(shí)施例中，形成晶體管8于基板10上，形成氧化物層11于晶體管8與基板10上，形成底電極13于氧化物層11中以接觸晶體管8的漏極8D，并形成介電凸塊14于氧化物層11與部份底電極13上。之后順應(yīng)性地依序形成電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15、氧擴(kuò)散阻障層16、導(dǎo)電儲氧層17、與TiN層18A于介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上，如圖6A所示。接著以平坦化工藝如CMP移除超出氧擴(kuò)散阻障層16的頂部的導(dǎo)電儲氧層17，直到露出介電凸塊14上的氧擴(kuò)散阻障層16，如圖6A所示。接著以光刻工藝搭配刻蝕工藝，移除一側(cè)的導(dǎo)電儲氧層17與TiN層18A，如圖6A所示。接著毯覆性地形成TiON層18B于上述結(jié)構(gòu)上，再形成TiN層18C于TiON層18B上，且TiN層18C可作為此MIM堆疊的頂電極，如圖6B所示。上述結(jié)構(gòu)的材料與形成方法與前述類似，在此不贅述。在圖6B中，不同MIM堆疊的導(dǎo)電儲氧層17被介電凸塊14截?cái)?，可進(jìn)一步避免相鄰的MIM堆疊互相干擾。此外，上述工藝進(jìn)一步縮小導(dǎo)電儲氧層17的面積(主動區(qū)面積)，可降低MIM堆疊的漏電流與驅(qū)動電壓。

綜上所述，本發(fā)明的多個實(shí)施例的MIM堆疊結(jié)構(gòu)具有底電極13位于基板10上的氧化物層11中，多個介電凸塊14位于氧化物層11上，且底電極13夾設(shè)于介電凸塊14之間。上述MIM堆疊結(jié)構(gòu)亦包含電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15、氧擴(kuò)散阻障層16、與導(dǎo)電儲氧層17順應(yīng)性地依序形成于介電凸塊14、氧化物層11、與底電極13上。上述MIM堆疊結(jié)構(gòu)亦包含氧擴(kuò)散阻障層18于導(dǎo)電儲氧層17上。由于介電凸塊14可增加相鄰的MIM堆疊的導(dǎo)電儲氧層17中的氧原子(來自電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15)的遷移路徑，甚至截?cái)嘞噜彽腗IM堆疊的導(dǎo)電儲氧層17，因此可有效改善相鄰MIM堆疊互相干擾的問題。

可以理解的是，TiN層18C(作為頂電極)可經(jīng)由頂電極接觸插塞(未圖示)或直接 連接至外部電路或電子元件。在一實(shí)施例中，上述底電極13、電阻轉(zhuǎn)態(tài)層15、導(dǎo)電儲氧層17、與氧擴(kuò)散阻障層18組成的MIM堆疊可用于RRAM裝置。

雖然本發(fā)明已以數(shù)個實(shí)施例揭露于上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域相關(guān)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書為準(zhǔn)。