電阻式存儲器單元及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種電阻式存儲器單元及其制作方法。電阻式存儲器單元，包含有至少一位線，沿著第一方向延伸；至少一字線，設于一基底上，且沿著一第二方向延伸，與該位線交叉；一硬掩模層，位于該字線上，使該字線與該位線電性隔離；一第一記憶胞，設于該字線的一側壁上；以及一第二記憶胞，設于該字線的另一側壁上。
【專利說明】電阻式存儲器單元及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及存儲器【技術領域】，特別是涉及一種改良的電阻式存儲器(RRAM)結構及陣列，其具有側壁型(spacer)電阻轉換層及上電極，并能達到2F2記憶胞最小尺寸。本發(fā)明另揭露其制作方法。
【背景技術】
[0002]電阻切換式(resistive switching)隨機存取存儲器或稱為電阻式存儲器(RRAM)，由于具備低電壓、高速度、元件微縮、非揮發(fā)性與低成本等優(yōu)勢，廣泛吸引各界的研究來取代快閃存儲器成為下一世代納米微縮非揮發(fā)性存儲器。
[0003]電阻式存儲器利用電阻轉換層在兩個穩(wěn)定阻態(tài)之間的電子切換(可以是電流或電壓誘發(fā))進行操作，其記憶胞通常與二極管(diode)上、下堆疊設置在一半導體柱狀結構中，字線與位線則分別通過半導體柱體結構的上、下端，構成交叉點(cross-point)存儲器單元。當元件被施以正電壓，通過形成在電阻轉換層中的導電絲(conductionfilament, CF),可使元件進入低阻態(tài)(low resistance state, LRS),而當施以負偏壓時,導電絲崩離，使元件進入高阻態(tài)(high resistance state, HRS),為使元件能穩(wěn)定運作，必須確保有一定數(shù)量的導電絲能夠形成。
[0004]已知，元件操作時，導電絲形成的數(shù)量與電阻轉換層-電極的接觸面積大小正相關。然而，隨著記憶胞的尺寸越做越小，操作時形成在電阻轉換層的導電絲數(shù)量變異或偏差將明顯導致元件可靠度問題。于是，該【技術領域】亟需一種改良的電阻式存儲器結構及其制作方法，可以解決上述先前技術的問題與缺點，而進一步達到存儲器元件微縮的目的。

【發(fā)明內容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明一實施例，本發(fā)明提供一種電阻式存儲器單元，包含有至少一位線，沿著第一方向延伸；至少一字線，設于一基底上，且沿著一第二方向延伸，與該位線交叉；一硬掩模層，位于該字線上，使該字線與該位線電性隔離；一第一記憶胞，設于該字線的一側壁上，該第一記憶胞包含有一第一側壁型電阻轉換層、一第一上電極，以及一第一二極管元件電耦合至該第一上電極；以及一第二記憶胞，設于該字線的另一側壁上，該第二記憶胞包含有一第二側壁型電阻轉換層、一第二上電極，以及一第二二極管元件電耦合至該第二上電極。
[0006]根據(jù)本發(fā)明另一實施例，本發(fā)明提供一種電阻式存儲器的制造方法，包含有:提供一基底；于該基底上形成多條字線；于各字線的一側壁上形成一側壁型電阻轉換層；于該側壁型電阻轉換層上形成一上電極；以及于該上電極表面形成一二極管元件。
[0007]為讓本發(fā)明的上述目的、特征及優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，并配合所附附圖，作詳細說明如下。然而如下的較佳實施方式與附圖僅供參考與說明用，并非用來對本發(fā)明加以限制者?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0008]所附附圖提供本發(fā)明更進一步的了解，并納入并構成本說明書的一部分。附圖與說明書內容一同闡述的本發(fā)明實施例有助于解釋本發(fā)明的原理原則。在附圖中:
[0009]圖1為依據(jù)本發(fā)明實施例所繪示的電阻式存儲器陣列的布局部分示意圖；
[0010]圖2為沿著圖1中切線1-1’所視的剖面示意圖；
[0011]圖3例示本發(fā)明實施例電阻式存儲器陣列的電路示意圖；
[0012]圖4為本發(fā)明實施例電阻式存儲器的記憶單元的透視示意圖；
[0013]圖5A及圖5B例示圖3中的電阻式存儲器陣列的操作方法；
[0014]圖6至圖15為依據(jù)本發(fā)明實施例所繪示的電阻式存儲器的制作工藝步驟示意圖；以及
[0015]圖16及圖17中分別例示含有金屬二極管及金屬氧化物二極管結構的電阻式存儲器。
[0016]應當注意的是，所有的附圖皆為概略性的。為方便和在圖紙上清晰起見，附圖的相對尺寸和部分元件比例以夸大或縮小規(guī)模呈現(xiàn)。相同的標號一般用來于不同的實施例中指示相對應或類似的元件。
[0017]主要元件符號說明
[0018]I電阻式存儲器陣列
[0019]10記憶單元(也稱存儲單元)
[0020]10’記憶單元
[0021]101 基底
[0022]102 字線
[0023]102’ 字線層
[0024]103硬掩模層
[0025]103’硬掩模層
[0026]104 位線
[0027]110a、I IOb記憶胞(也稱存儲單元)
[0028]110a’左邊記憶胞
[0029]110b’右邊記憶胞
[0030]120a、120b側壁型電阻轉換層
[0031]130a、130b 上電極
[0032]140a NP 二極管元件
[0033]140b PN 二極管元件
[0034]141隧穿氧化層
[0035]142a鉬金屬層
[0036]142b鉿金屬層
[0037]170接觸層
[0038]210、220、230圖案化光致抗蝕劑層
[0039]230a 開 口
[0040]302介電材料[0041]442a硼-鋁金屬
[0042]442b磷-鋁金屬
[0043]541a 氧化鈦
[0044]542a 氧化鎳
[0045]541b 氧化鎳
[0046]542b 氧化鈦
[0047]WLO ?WL2 字線
[0048]BLO ?BL3 位線
【具體實施方式】
[0049]于下文中，加以陳述本發(fā)明的【具體實施方式】，該些【具體實施方式】可參考相對應的附圖，以使該些附圖構成實施方式的一部分。同時也通過說明，揭露本發(fā)明可據(jù)以施行的方式。于下文中，將清楚地描述該些實施例的細節(jié)，以使該【技術領域】中具有通常技術者可據(jù)以實施本發(fā)明。在不違背于本發(fā)明宗旨的前提下，相關的具體實施例也可被加以施行，且對于其結構上、邏輯上以及電性上所做的改變仍屬本發(fā)明所涵蓋的范疇。
[0050]請參閱圖1及圖2，其中圖1為依據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的電阻式存儲器陣列的布局部分示意圖，圖2為沿著圖1中切線1-1’所視的剖面示意圖。如圖1及圖2所示，電阻式存儲器陣列I包含有多條沿著第一方向(例如參考座標X軸)延伸的位線104,例如，位線BLO?BL3，以及多條沿著第二方向(例如參考座標y軸)的字線102，例如，字線WLO?WL2，第一方向可以與第二方向正交垂直，使字線102與位線104交叉，而在各個字線102與位線104的交叉點處構成記憶單元10。
[0051]根據(jù)本發(fā)明實施例，沿著第二方向延伸的字線102形成在一基底101表面，其間距(pitch)為2F，其中F代表制作工藝最小尺寸或線寬。根據(jù)本發(fā)明實施例，字線102可以包含有金屬，例如氮化鈦(TiN)，但不限于此。在各字線102上可以另有一硬掩模層103，例如，氮化硅。沿著第一方向延伸的位線104即通過硬掩模層103與沿著第二方向延伸的字線102電性絕緣。
[0052]根據(jù)本發(fā)明實施例，在各個字線102與位線104的交叉點處的記憶單元10包含有兩個記憶胞IlOa及110b，分別位于字線102 (例如字線WLl)的左、右兩側的側壁上，其中，記憶胞IlOa包含側壁型(spacer)電阻轉換層120a及上電極130a,記憶胞IlOb包含側壁型電阻轉換層120b及上電極130b，而在字線各邊側壁上構成雙側壁子(dual spacer)組態(tài)，字線102則作為下電極。也因此，本發(fā)明能夠達到2F2記憶胞最小尺寸。
[0053]根據(jù)本發(fā)明實施例，側壁型電阻轉換層120a、120b與字線102直接接觸，而上電極130a、130b分別與側壁型電阻轉換層120a、120b直接接觸。應當注意的是，側壁型電阻轉換層120a、120b必須完全覆蓋字線102全部的側壁表面，并且向上延伸至硬掩模層103較佳，如此確保上電極130a、130b與字線102不會直接接觸。
[0054]在圖1中，根據(jù)本發(fā)明實施例，例示的側壁型電阻轉換層120a、120b是連續(xù)的、不斷開的，與字線102 —樣沿著第二方向延伸，而上電極130a、130b則是斷開的、不連續(xù)的。然而，在另一實施例中，側壁型電阻轉換層120a、120b也可以是斷開的、不連續(xù)的。
[0055]根據(jù)本發(fā)明實施例，側壁型電阻轉換層120a、120b可以包含有HfO2，但不限于此。當然，側壁型電阻轉換層120a、120b也可以是其他電阻轉換材料，例如，ZrO2, TiO2, CuxO,
Al2O3等等,在此不--列舉。根據(jù)本發(fā)明實施例，上電極130a、130b可以包含TiN,但不限
于此。應當注意的是，上電極130a、130b的材料的選擇需考慮適當?shù)慕饘俟瘮?shù)，以于字線102的左、右兩側分別構成NP 二極管及PN 二極管。
[0056]如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明實施例，記憶胞IlOa另包含有NP 二極管元件140a電耦合至上電極130a，記憶胞I IOb另包含有PN 二極管元件140b電耦合至上電極130b。根據(jù)本發(fā)明實施例，NP 二極管元件140a及PN 二極管元件140b可以是金屬隧穿氧化(metal-tunneloxide) 二極管、金屬二極管或金屬氧化物(metal oxide) 二極管等。
[0057]舉例來說，圖16及圖17中分別例示含有金屬二極管及金屬氧化物二極管結構的電阻式存儲器。在圖16中，在字線WLl左側形成硼-鋁(B-Al)金屬442a，而在字線WLl右側形成磷-鋁(P-Al)金屬442b。在圖17中，在字線WLl左側形成氧化鈦(Ti0)542a及氧化鎳(NiO) 541a的復合金屬氧化物，構成NP型金屬氧化物二極管，而在字線WLl右側形成氧化鎳(NiO) 542b及氧化鈦(TiO) 541b的復合金屬氧化物，構成PN型金屬氧化物二極管。
[0058]在圖2中，例示的是金屬隧穿氧化二極管結構，其中，NP 二極管元件140a包含有覆蓋上電極130a的隧穿氧化層141以及鉬(Pt)金屬層142a，PN 二極管元件140b包含有覆蓋上電極130b的隧穿氧化層141以及鉿(Hf)金屬層142b，其中隧穿氧化層141、鉬金屬層142a、鉿金屬層142b均順應的覆蓋于字線102之間的凹槽中，并且覆蓋部分的基底101表面。根據(jù)本發(fā)明實施例，隧穿氧化層141的厚度約為6nm左右，但不限于此。在鉬金屬層142a、鉿金屬層142b上則設有一接觸層170，例如鎢(W)，填滿字線102之間的凹槽，而接觸層170再與位線104 (例如位線BL0)電連接。
[0059]圖3例示本發(fā)明實`施例電阻式存儲器陣列的電路示意圖。舉例來說，在圖3中，記憶單元10包含有兩個記憶胞IIOa及IlOb,分別通過NP 二極管元件140a及PN 二極管元件140b電耦合至位線104，例如位線BLO (以虛線表示)，而在另一端，記憶胞IlOa及IlOb的側壁型電阻轉換層120a、120b直接電耦合至字線102，例如字線WL1。由圖3可看出，電耦合至位線104的NP 二極管元件140a及PN 二極管元件140b為倒置(inverted)組態(tài)，此也為本發(fā)明實施例的主要技術特征之一。然而，本發(fā)明并非以此為限，在其他實施例中，也可采用兩邊均為同向，而非倒置的二極管。
[0060]圖4為記憶單元10的透視示意圖。本發(fā)明的另一技術特征在于達到2F2記憶胞最小尺寸，這是因為將兩個記憶胞IlOa及110b，分別形成于字線102的左、右兩側的側壁上，此外，隨著制作工藝微縮，記憶單元10越來越微小化，但是可以通過調整字線102的厚度Z，而達到所要的記憶胞有效面積A = FXZ0如前所述，元件操作時，導電絲形成的數(shù)量與電阻轉換層-電極的接觸面積A大小正相關，本發(fā)明可通過調整字線102的厚度Z，避免導電絲數(shù)量變異，解決了元件可靠度問題。
[0061]圖5A及圖5B例示圖3中的電阻式存儲器陣列的操作方法。舉例來說，如圖5A所示，如欲寫入字線WLO與位線BL2交叉處的記憶單元10’的右邊記憶胞110b’，可以施加
1.5V電壓給字線WL0，施加OV電壓給位線BL2，如此對PN 二極管元件140b’形成順向偏壓而導通電流，對NP 二極管元件140a’則不會導通。其他字線則施以0.7V電壓，其他位線則施以0.7V電壓。如圖5B所示，如欲寫入字線WLO與位線BL2交叉處的記憶單元10’的左邊記憶胞110a’，可以施加OV電壓給字線WL0，施加1.5V電壓給位線BL2，如此對NP 二極管元件140a’形成順向偏壓而導通電流，對PN 二極管元件140b’則不會導通。同樣的，其他字線則施以0.7V電壓，其他位線則施以0.7V電壓。當然，上述所舉電壓值僅為例示。
[0062]以下，將通過圖6至圖15詳細說明本發(fā)明電阻式存儲器的制作工藝步驟。
[0063]如圖6所示，首先提供一基底101，例如是一半導體基材或者是覆蓋在一半導體基材(圖未示)上的一金屬層間介電層，又例如該金屬層間介電層下方包含已在前段制作工藝步驟中制作在半導體基材(圖未示)上的周邊電路(圖未示)。接著，依序沉積字線層102’及硬掩模層103’，然后于硬掩模層103’上形成圖案化光致抗蝕劑層210，可以是間距(pitch)為 2F,且線寬(line width, L):線距(space, S)為 1:1 (L:S=1:1)的密集線條圖案。
[0064]如圖7所示，接著利用蝕刻方式，修掉部分的圖案化光致抗蝕劑層210的厚度，如此，通過縮小線寬L，使線距S增加變寬。如圖8A及圖8B，再以干蝕刻制作工藝蝕刻未被光致抗蝕劑層210覆蓋的硬掩模層103’及字線層102’，形成多條字線102，例如，字線WLO?WL2，然后，去除光致抗蝕劑層210并且保留各該字線上方的硬掩模103。
[0065]如圖9所示，接著在字線102以及硬掩模103的各邊側壁上依序形成側壁型電阻轉換層120a、120b以及上電極130a、130b。形成側壁型電阻轉換層120a、120b以及上電極130a、130b的方法可利用沉積及自動對準(self-aligned)蝕刻方式,其細節(jié)為業(yè)界所熟知，不再贅述。側壁型電阻轉換層120a、120b可以包含有Hf02、Zr02、Ti02、Cux0、Al203等等。上電極130a、130b可以包含TiN，但不限于此。
[0066]如圖10所示，接著形成圖案化光致抗蝕劑層220，其為沿著X軸方向延伸的線條圖案，與先前形成的字線102交叉，用來定義出記憶胞位置。如圖11所示，利用圖案化光致抗蝕劑層220作為蝕刻硬掩模，進行干蝕刻制作工藝，去除掉未被圖案化光致抗蝕劑層220覆蓋的上電極130a、130b，如此定義出分別位于字線102的左、右兩側的側壁上的記憶胞IlOa及11Ob。此時，側壁型電阻轉換層120a、120b可以不被切斷，而仍是沿著y軸方向連續(xù)的延伸。
[0067]接著，進行二極管元件的制作，如圖12A及圖12B所示，例如，先在字線102間的溝槽內填滿介電材料302，然后，形成圖案化光致抗蝕劑層230，具有多個開口 230a，顯露出奇數(shù)行的字線102間的溝槽內的部分介電材料302，再經(jīng)由開口 230a去除介電材料302，然后形成隧穿氧化層141。
[0068]如圖13所示，接著于奇數(shù)行的字線102間的溝槽內依序形成鉬金屬層142a以及接觸層170 (例如是一鎢金屬層)，并利用平坦化制作工藝，例如，化學機械研磨法，去除多余的鉬金屬層142a以及接觸層170。
[0069]然后，如圖14所示，利用類似圖12A、圖12B及圖13所描述的步驟，于偶數(shù)行的字線102間的溝槽內依序形成隧穿氧化層141、鉿金屬層142b以及接觸層170，并利用平坦化制作工藝，例如，化學機械研磨法，去除多余的鉿金屬層142b以及接觸層170。如圖15所示，最后形成多條與字線交叉的位線104，并且鉬金屬層142a與鉿金屬層142b通過接觸層170電連接位線104。
[0070]上述實施例于字線102左、右兩側的側壁分別形成一柏金屬層142a與一鉿金屬層142b，以構成兩個倒置組態(tài)的二極管，因此設置于字線兩側的記憶胞可獨立操作。然而，于本發(fā)明其他實施例中，字線左、右兩側的側壁可形成一相同材料的金屬層，以構成兩個相同的二極管(例如是兩個NP 二極管或是兩個PN 二極管)，因此設置于字線兩側的記憶胞需同時進行操作。
[0071]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權利要求】
1.一種電阻式存儲器單兀,設于一基底上,包含有: 至少一位線，沿著第一方向延伸； 至少一字線，且沿著一第二方向延伸，與該位線交叉； 硬掩模層，位于該字線上，使該字線與該位線電性隔離； 第一記憶胞，設于該字線的一側壁上，該第一記憶胞包含有第一側壁型電阻轉換層、第一上電極，以及第一二極管元件電耦合至該第一上電極；以及 第二記憶胞，設于該字線的另一側壁上，該第二記憶胞包含有第二側壁型電阻轉換層、第二上電極，以及第二二極管元件電耦合至該第二上電極。
2.如權利要求1所述的電阻式存儲器單元，其中該第一二極管元件與該第二二極管元件是通過一接觸層共同電耦合至該位線。
3.如權利要求2所述的電阻式存儲器單元，其中該第一二極管元件為NP二極管元件，該第二二極管元件為PN 二極管元件，其中該NP 二極管元件的N極通過該接觸層電連接至該位線，該PN 二極管元件的P極通過該接觸層電連接至該位線。
4.如權利要求2所述的電阻式存儲器單元，其中該第一以及該第二二極管元件均為NP二極管元件，并且該NP 二極管元件的N極通過該接觸層電連接至該位線。
5.如權利要求2所述的電阻式存儲器單元，其中該第一二極管以及該第二二極管元件均為PN 二極管元件，并且該PN 二極管元件的P極通過該接觸層電連接至該位線。
6.如權利要求1所述的電阻式存儲器單元，其中該第一二極管元件與該第二二極管元件包含有金屬隧穿氧化二極管、金屬二極管或金屬氧化物二極管。
7.如權利要求1所述的電阻式存儲器單元，其中該第一以及該第二側壁型電阻轉換層包含有 HfO2、ZrO2、TiO2、CuxO, Al2O3。
8.如權利要求1所述的電阻式存儲器單元，其中該第一上電極及該第二上電極包含TiN。
9.如權利要求1所述的電阻式存儲器單元，其中該硬掩模層包含有氮化硅。
10.如權利要求1所述的電阻式存儲器單兀，其中該第一方向垂直于該第二方向。
11.如權利要求1所述的電阻式存儲器單元，其中該基底包含有介電層，且該電阻式存儲器單元直接形成在該介電層上。
12.—種電阻式存儲器的制造方法,包含有: 提供一基底； 在該基底上形成多條沿第一方向延伸之字線，并且各字線之間包含有一溝槽； 在各字線的一側壁上依序形成一側壁型電阻轉換層以及一上電極材料層； 在該基底上形成多條沿第二方向延伸的線條圖案光致抗蝕劑層，并且該第二方向于該第一方向交叉； 進行一蝕刻制作工藝，去除未被該光致抗蝕劑層覆蓋的部分上電極材料層以于該側壁型電阻轉換層上形成多個上電極；以及在各該上電極表面形成一二極管元件。
13.如權利要求12所述的電阻式存儲器的制造方法，其中在該上電極表面形成該二極管元件包含有以下步驟: 在該上電極表面形成一隧穿氧化層；以及在該隧穿氧化層上形成一金屬層。
14.如權利要求13所述的電阻式存儲器的制造方法，其中該隧穿氧化層的厚度約為6nm。
15.如權利要求13所述的電阻式存儲器的制造方法，其中該上電極為氮化鈦，該金屬層為鉬金屬層。
16.如權利要求15所述的電阻式存儲器的制造方法，其中該上電極為氮化鈦，該金屬層為鉿金屬層。
17.如權利要求12所述的電阻式存儲器的制造方法，其中于該上電極表面形成該二極管元件包含有以下步驟: 形成一介電材料填滿各字線之間的溝槽； 去除奇數(shù)行溝槽內的部分該介電材料，以形成多個第一開口暴露該多個上電極； 在暴露的該多個上電極表面依序形成一隧穿氧化層以及一第一金屬層； 去除偶數(shù)行溝槽內的部分該介電材料，以形成多個第二開口暴露該多個上電極；以及 在暴露的該多個上電極表面依序形成該隧穿氧化層以及一第二金屬層。
18.如權利要求17所述的電阻式存儲器的制造方法，其中該上電極為氮化鈦，該第一金屬層為鉬金屬層，該第二金屬層為鉿金屬層。
19.如權利要求12所述的電 阻式存儲器的制造方法，其中形成該二極管元件后，包含有以下步驟: 在該各該字線之間的溝槽內形成一接觸層；以及 在該接觸層上方形成多條沿該第二方向延伸之位線。
20.如權利要求19所述的電阻式存儲器的制造方法，其中該接觸層包含有鎢金屬。
【文檔編號】G11C13/00GK103715216SQ201210396732
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年10月18日 優(yōu)先權日:2012年10月3日
【發(fā)明者】林展慶, 黃振浩, 黃宗彬, 陳俊丞, 陳菁華 申請人:力晶科技股份有限公司