電阻式非易失性存儲器裝置及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是關于一種電阻式非易失性存儲器裝置及其制造方法，特別是關于一種具有高可靠度的電阻式非易失性存儲器裝置及其制造方法。
【背景技術】
[0002]電阻式非易失性存儲器(RRAM)因具有功率消耗低、操作電壓低、寫入抹除時間短、耐久度長、記憶時間長、非破壞性讀取、多狀態(tài)記憶、元件制作工藝簡單及可微縮性等優(yōu)點，所以成為新興非易失性存儲器的主流?，F有的電阻式非易失性存儲器的基本結構為底電極、電阻轉態(tài)層及頂電極構成的一金屬-絕緣體-金屬(metal-1nsulator-metal, MIM)疊層結構，且電阻式非易失性存儲器的電阻轉換(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器的存取速度、儲存密度、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法有效的提升。
[0003]因此，在此技術領域中，有需要一種非易失性存儲器及其制造方法，以改善上述缺點。

【發(fā)明內容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供一種電阻式非易失性存儲器裝置及其制造方法，以提升電阻式非易失性存儲器裝置的可靠度。
[0005]本發(fā)明的一實施例提供一種電阻式非易失性存儲器裝置。上述電阻式非易失性存儲器裝置包括一第一電極；一第二電極，設置于上述第一電極上；一電阻轉態(tài)層，設置于上述第一電極和上述第二電極之間，其中上述電阻轉態(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)明的一實施例提供一種電阻式非易失性存儲器裝置的制造方法。上述電阻式非易失性存儲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態(tài)材料層；將多個氮原子注入部分上述電阻轉態(tài)材料層中；于上述電阻轉態(tài)材料層上形成一第二電極材料層；利用一第一遮罩，進行一圖案化工藝，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、一電阻轉態(tài)層和一第一電極，其中上述電阻轉態(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]由上述技術方案可得，本發(fā)明能夠減少電阻式非易失性存儲器對氧空缺分布區(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器的存取速度、儲存密度、以及可靠度。
【附圖說明】
[0008]圖1顯示本發(fā)明的一實施例的電阻式非易失性存儲器裝置的剖面示意圖。
[0009]圖2顯示本發(fā)明的另一實施例的電阻式非易失性存儲器裝置的剖面示意圖。
[0010]圖3?圖7顯示本發(fā)明的一實施例的電阻式非易失性存儲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)明的另一實施例的電阻式非易失性存儲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)明的又一實施例的電阻式非易失性存儲器裝置的中間工藝步驟的剖面示意圖。
[0013]圖12顯示本發(fā)明的一實施例的電阻式非易失性存儲器裝置的剖面示意圖，其顯示位于電阻轉態(tài)層中氮原子的分布具有的一種功效。
[0014]圖13顯示本發(fā)明的一實施例的電阻式非易失性存儲器裝置的剖面示意圖，其顯示位于電阻轉態(tài)層中氮原子的分布具有的另一種功效。
[0015]圖中符號說明:
[0016]500a、500b?電阻式非易失性存儲器裝置；
[0017]250a、250b?金屬-絕緣體-金屬疊層；
[0018]200?半導體基板；
[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?電阻轉態(tài)層；
[0026]212?第二電極；
[0027]208a?第一電極材料層；
[0028]210a?電阻轉態(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?側壁損傷；
[0043]242?氧原子。
【具體實施方式】
[0044]為了讓本發(fā)明的目的、特征、及優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖示，做詳細的說明。本發(fā)明說明書提供不同的實施例來說明本發(fā)明不同實施方式的技術特征。其中，實施例中的各元件的配置是為說明之用，并非用以限制本發(fā)明。且實施例中圖式標號的部分重復，是為了簡化說明，并非意指不同實施例之間的關聯(lián)性。
[0045]本發(fā)明實施例提供一種非易失性存儲器，例如為一電阻式非易失性存儲器(RRAM)裝置，其于電阻轉態(tài)層的導電絲形成區(qū)域的外圍部分摻雜多個氮原子，上述多個氮原子可以作為障壁物，將提供導電絲形成的氧空缺局限于氮原子的所包圍的區(qū)域內。位于導電絲形成區(qū)域的外圍的氮原子可以防止電阻轉態(tài)層在后續(xù)工藝中因破壞側壁損傷導電絲而降低RRAM的數據保存能力。位于導電絲形成區(qū)域的外圍的氮原子可以防止氧原子擴散進入用以形成導電絲的氧空缺而導致RRAM的低電阻狀態(tài)電流下降，因而無法讀取RRAM的電阻狀態(tài)。
[0046]圖1顯示電阻式非易失性存儲器(RRAM)裝置500a的剖面示意圖。如圖1所示，RRAM裝置500a可設置于例如硅基板的一半導體基板200上，并可連接至設置于半導體基板200上的一電路202。也可于上述半導體基板200上設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、以及其他主動或非主動半導體元件。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、電阻轉態(tài)層210和第二電極212一起構成一金屬-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設置于上述半導體基板200上，且電連接至設置于半導體基板200上的電路202。第一電極接觸插塞206穿過設置于上述半導體基板200上的層間介電層204。在本發(fā)明一些實施例中，電路202用以對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的材質可包括鎢(W)。
[0048]如圖1所不，第一電極208設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)明一些實施例中，第一電極208的材質可包括鋁、鈦、氮化鈦或上述組合?？衫秒娮邮婵照翦兓驗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上形成多個導電圖案。
[0049]如圖1所示，第二電極212設置于上述第一電極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和形成方式。
[0050]如圖1所示，第二電極接觸插塞216設置于上述第二電極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和形成方式。
[0051]如圖1所示，電阻轉態(tài)層210設置于上述第一電極208上，且位于上述第一電極208和第二電極212之間。電阻轉態(tài)層210接觸上述第一電極208和第二電極212。電阻轉態(tài)層210的材質可包括二氧化鉿、氧化鋁、鉻摻雜的鈦酸鍶、鉻摻雜的鋯酸鍶、二氧化鋯薄膜。可利用原子層沉積法(ALD)形成電阻轉態(tài)層210。
[0052]如圖1所示，電阻轉態(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設計為提供導電絲形成的氧空缺222的分布區(qū)域。因此