自整流电阻式随机存储器存储单元结构
阅读：645发布：2020-05-13
专利汇可以提供自整流电阻式随机存储器存储单元结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种自整流 电阻 式随机 存储器 (RRAM)存储单元结构。上述RRAM存储单元结构包括一第一 电极 ；一绝缘体‑金属转变材料层，设置于上述第一电极上；一阻障层，设置于上述绝缘体‑金属转变材料层上；一第二电极，设置于上述阻障层上，其中上述绝缘体‑金属转变材料层通过上述阻障层与上述第二电极隔开。本发明提升了电阻式 非易失性存储器 装置的可靠度。，下面是自整流电阻式随机存储器存储单元结构专利的具体信息内容。
1.一种自整流电阻式随机存储器RRAM存储单元结构，其特征在于，该自整流RRAM存储单元结构包括：
一第一电极；
一绝缘体-金属转变材料层，设置于该第一电极上，其中该绝缘体-金属转变材料层的材质为TiO2；
一阻障层，设置于该绝缘体-金属转变材料层上，其中该阻障层的材质为SiO2；以及一第二电极，设置于该阻障层上，其中该绝缘体-金属转变材料层通过该阻障层与该第二电极隔开，该RRAM存储单元结构的整流比值大于10。
2.如权利要求1所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该绝缘体-金属转变材料层的层数为一层。
3.如权利要求1所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该绝缘体-金属转变材料层具有彼此相对的一第一表面和一第二表面，分别与该第一电极和该阻障层直接接触。
4.如权利要求1所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该绝缘体-金属转变材料层与该第一电极形成欧姆接触。
5.如权利要求3所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该阻障层与该第二电极直接接触。
6.如权利要求1所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该阻障层通过该绝缘体-金属转变材料层与该第一电极隔开。
7.如权利要求1所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该阻障层具有一能隙，该能隙大于2eV。
8.如权利要求1所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该第一电极电性接地，且该第二电极电性耦接至一正电压或一负电压。
9.如权利要求1所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该第一电极和该第二电极的材质可择自下列组成的族群：Ti、Ta、Ni、Cu、W、Hf、Zr、Nb、Y、Zn、Co、Al、Si、Ge及前述的合金。
10.如权利要求1所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该第一电极为一第一金属元素，且该绝缘体-金属转变材料层为该第一金属元素的一氧化物。
11.如权利要求1所述的自整流RRAM存储单元结构，其特征在于，该第二电极为一第二金属元素，且该阻障层为该第二金属元素的一氧化物。
自整流电阻式随机存储器存储单元结构
技术领域
[0001] 本发明关于一种存储器装置，特别关于一种电阻式随机存储器。
背景技术
[0002] 设计者正在寻找下一代的非易失性存储器，例如磁阻式随机存取存储器、相变化随机存取存储器、导电桥接式随机存取存储器及电阻式随机存储器(以下简称为RRAM)，以增加写入速度及减少功耗。在上述种类的非易失性存储器中，RRAM的结构简单、且具有简单的交错阵列及可于低温制造、功率消耗低、操作电压低、写入抹除时间短、耐久度长、存储时间长、非破坏性读取、多状态存储、元件工艺简单及可微缩性，所以成为新兴非易失性存储器的主流。现有的电阻式非易失性存储器的基本结构为底电极、电阻转态层及顶电极构成的一金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，MIM)叠层结构，且电阻式非易失性存储器的电阻转换(resistive switching，RS)阻值特性为元件的重要特性。
[0003] 虽然RRAM交错阵列的结构简单，但在制造上仍有许多问题待解决，特别是其3D交错阵列。如无法形成3D交错阵列，就高容量的数据存储装置来说，RRAM的每位元成本有可能无法与3D NAND存储器竞争。
[0004] RRAM交错阵列理论上可容许4F2的最小单元晶胞尺寸(其中F为最小元件尺寸)，且低温工艺可容许存储器阵列的堆叠达到前所未有的积体密度。然而，在1R结构中(仅具有一电阻元件)，会有潜电流通过相邻未被选择的存储单元，而严重地影响读取裕量，且限制交错阵列的最大尺寸低于64位元。此问题可通过增加非线性选择装置与这些电阻转换元件串联予以解决。例如，已发展出一二极管搭配一电阻(1D1R)、一选择器搭配一电阻(1S1R)、一双极性接面晶体管搭配一电阻(1BJT1R)、一MOSFET晶体管搭配一电阻(1T1R)等存储单元结构。在上述存储单元结构中，1BJT1R结构及1T1R结构过于复杂且需高温工艺而较不适用，且互补式电阻转换元件(CRS)存储单元结构也有破坏性读出的问题。因此，1D1R结构及1S1R结构较适合3D交错阵列的运用。
发明内容
[0005] 本发明提供一种电阻式非易失性存储器装置及其制造方法，以提升电阻式非易失性存储器装置的可靠度。
[0006] 本发明的一实施例提供一种自整流电阻式随机存储器存储单元结构。上述RRAM存储单元结构包括一第一电极；一绝缘体-金属转变材料层，设置于上述第一电极上；一阻障层，设置于上述绝缘体-金属转变材料层上；一第二电极，设置于上述阻障层上，其中上述绝缘体-金属转变材料层通过上述阻障层与上述第二电极隔开。
[0007] 本发明提供一种自整流电阻式随机存储器存储单元结构，可仅为1R存储单元结构，且具有类似于传统与非线性选择器连接的电阻器(例如1T1R、1D1R、1S1R、1BJT1R)的非线性电流对电压(I-V)关系的性质；可免去初始形成步骤，即可不需初始形成电压来活化RRAM存储单元结构；可以避免因具较大电压的初始形成步骤而伤害本身结构，因而可具有较佳的可靠度；具有自限流及自整流的特性，其也可解决传统RRAM 3D交错阵列的1R存储单元的潜电流的问题。附图说明
[0008] 图1显示本发明的一实施例的电阻式随机存储器存储单元结构的剖面示意图。
[0009] 图2显示本发明的另一实施例的电阻式随机存储器存储单元结构的剖面示意图。
[0010] 图3A、图3B显示本发明的一实施例的电阻式随机存储器存储单元结构的操作机制示意图。
[0011] 图4显示本发明的一实施例的电阻式随机存储器存储单元结构的电流对电压(I-V)关系示意图。
[0012] 符号说明：
[0013] 500a、500b～电阻式随机存储器存储单元结构；
[0014] 200、300、400～第一电极；
[0015] 202、208、214、220～底面；
[0016] 204、210、216、222～顶面；
[0017] 206、306、406～绝缘体-金属转变材料层；
[0018] 212、312、412～阻障层；
[0019] 218、318、418～第二电极；
[0020] 302、304、308、310、314、316、320、322～侧面。
具体实施方式
[0021] 为了让本发明的目的、特征、及优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，做详细的说明。本发明说明书提供不同的实施例来说明本发明不同实施方式的技术特征。其中，实施例中的各元件的配置是为说明之用，并非用以限制本发明。且实施例中附图标号的部分重复，为了简化说明，并非意指不同实施例之间的关联性。
[0022] 本发明实施例提供一种电阻式随机存储器存储单元结构，例如为具有自限流及自整流的特性一电阻式非易失性存储器存储单元结构，上述RRAM存储单元结构的电阻转态层由一绝缘体-金属转变材料(insulator-metal-transition material，IMT material)形成，因而可称为一绝缘体-金属转变材料层。并且，上述绝缘体-金属转变材料层与耦接操作偏压(不为零的正或负电压)的电极通过一阻障层隔开。上述RRAM存储单元结构为一金属层-绝缘层-绝缘层-金属层(metal-insulator-insulator-metal，MIIM)叠层结构，因而具有自限流及自整流的特性，其也可解决传统RRAM 3D交错阵列的1R存储单元的潜电流的问题。
[0023] 图1显示本发明的一实施例的电阻式随机存储器存储单元结构500a的剖面示意图。本发明一实施例的RRAM存储单元结构500a包括一第一电极200、一绝缘体-金属转变材料层206、一阻障层212以及一第二电极218。如图1所示，上述RRAM存储单元结构500a为一水平堆叠的MIIM叠层结构，即RRAM存储单元结构500a中任两相邻层的界面大体上平行一基板(图未显示)表面。
[0024] 第一电极200具有一底面202和一顶面204，第二电极218具有一底面220和一顶面222。如图1所示，第二电极218设置于第一电极200的顶面204上方。上述第一电极200可视为一底电极200，而上述第二电极218可视为一顶电极218。在本发明一些实施例中，第一电极
200和第二电极218的材质可择自下列组成的族群：Ti、Ta、Ni、Cu、W、Hf、Zr、Nb、Y、Zn、Co、Al、Si、Ge及前述的合金。举例来说，第一电极层200可为Ti层，且第二电极层218可为Ta层。可利用电子束真空蒸镀或溅镀法形成上述第一电极200和第二电极218。
200和第二电极218的材质可择自下列组成的族群：Ti、Ta、Ni、Cu、W、Hf、Zr、Nb、Y、Zn、Co、Al、Si、Ge及前述的合金。举例来说，第一电极层200可为Ti层，且第二电极层218可为Ta层。可利用电子束真空蒸镀或溅镀法形成上述第一电极200和第二电极218。
[0025] 如图1所示，绝缘体-金属转变材料层206设置于第一电极200的顶面204上。在本发明一些实施例中，绝缘体-金属转变材料层206具有一底面208和一顶面210，绝缘体-金属转变材料层206的底面208可与第一电极200的顶面204直接接触。并且，绝缘体-金属转变材料层206可与第一电极200形成欧姆接触。在本发明一些实施例中，绝缘体-金属转变材料层206可因为不同的外加电压而呈现绝缘体态或金属态两种不同的电阻状态。因而绝缘体-金属转变材料层206可以作为RRAM存储单元结构的电阻转态层，用来存储数据。也因此，绝缘体-金属转变材料层206在不同的外加电压下不会存在导电丝。绝缘体-金属转变材料层206的材质可包括NiOx、TiOx、VOx、FeOx、CoOx、NbOx、镨钙锰氧化物(Praseodymium Calcium Manganese Oxide，PCMO)或上述组合。在本发明一些实施例中，可利用沉积方式形成绝缘体-金属转变材料层206例如原子层沉积、化学气相沉积、电浆增强式化学气相沉积、有机金属化学气相沉积、物理气相沉积或其他适当方式。或者，在本发明一些其他实施例中，绝缘体-金属转变材料层206可由直接氧化第一电极200的表面部分形成。例如，可利用热氧化法或激光氧化法等氧化方式，直接氧化第一电极200的表面部分以形成绝缘体-金属转变材料层206。
[0026] 如图1所示，阻障层212设置于绝缘体-金属转变材料层206的顶面210上。阻障层212具有一底面214和一顶面216，阻障层212的底面214可与绝缘体-金属转变材料层206的顶面210直接接触，且阻障层212的顶面216与第二电极218的底面220直接接触。因此，阻障层212可通过绝缘体-金属转变材料层206与第一电极200隔开。在本发明一些实施例中，阻障层212可由具有一能隙的绝缘材料形成，上述能隙约大于2eV。并且，可选择阻障层212的材质，使其能隙大于第一电极200、绝缘体-金属转变材料层206与第二电极218的能隙。因此，当对RRAM存储单元结构500a外加电压使电子从第一电极200注射进入绝缘体-金属转变材料层206使其转变为低电阻态(金属态)时，上述电子会被阻障层212阻挡而不会进入第二电极218而再度改变绝缘体-金属转变材料层206的电阻状态。或者，当对RRAM存储单元结构
500a外加电压使存在于绝缘体-金属转变材料层206中的电子(e)逃出至第一电极200使其转变为高电阻态(绝缘体态)时，从第二电极218朝绝缘体-金属转变材料层206注入的电子，会被阻障层212阻挡而不会进入绝缘体-金属转变材料层206而再度改变绝缘体-金属转变材料层206的电阻状态。并且，当对RRAM存储单元结构500a外加电压操作时，设置于第二电极218和绝缘体-金属转变材料层206之间的阻障层212会使RRAM存储单元结构500a具有非线性的电流对电压(I-V)关系。阻障层212的材质可包括例如TaOx、HfO2、SiO2或上述组合。
500a外加电压使存在于绝缘体-金属转变材料层206中的电子(e)逃出至第一电极200使其转变为高电阻态(绝缘体态)时，从第二电极218朝绝缘体-金属转变材料层206注入的电子，会被阻障层212阻挡而不会进入绝缘体-金属转变材料层206而再度改变绝缘体-金属转变材料层206的电阻状态。并且，当对RRAM存储单元结构500a外加电压操作时，设置于第二电极218和绝缘体-金属转变材料层206之间的阻障层212会使RRAM存储单元结构500a具有非线性的电流对电压(I-V)关系。阻障层212的材质可包括例如TaOx、HfO2、SiO2或上述组合。
[0027] 在本发明一些实施例中，阻障层212的材质可为SiO2。并且，阻障层212与绝缘体-金属转变材料层206可分别由不同的材料形成。在本发明一些实施例中，绝缘体-金属转变材料层206可由第一电极200的金属元素的氧化物形成，阻障层212可由第二电极218的金属元素的氧化物形成，且第一电极200的金属元素不同于第二电极218的金属元素。举例来说，当第一电极200由Ti形成时，绝缘体-金属转变材料层206由TiO2形成，且当第二电极218由Ta形成时，阻障层212由Ta2Ox形成。
[0028] 图2显示本发明的另一实施例的电阻式随机存储器存储单元结构500b的剖面示意图。上述附图中的各元件如有与图1所示相同或相似的部分，则可参考前面的相关叙述，在此不做重复说明。
[0029] 本发明一实施例的RRAM存储单元结构500b包括一第一电极300、一绝缘体-金属转变材料层306、一阻障层312以及一第二电极318。如图2所示，上述RRAM存储单元结构500b为一垂直堆叠的MIIM叠层结构，即RRAM存储单元结构500b中任两相邻层的界面大体上垂直一基板(图未显示)表面。
[0030] 如图2所示，上述RRAM存储单元结构500b的第一电极300具有彼此相对的一侧壁302和一侧壁304，绝缘体-金属转变材料层306具有彼此相对的一侧面308和一侧面310，阻障层312具有彼此相对的一侧面314和一侧面316，第二电极318具有彼此相对的一侧面320和一侧面322。第一电极300的侧面304与绝缘体-金属转变材料层306的侧面308直接接触，绝缘体-金属转变材料层306的侧面310与阻障层312的侧面314直接接触，阻障层312的侧面
316与第二电极318的侧面320直接接触。
316与第二电极318的侧面320直接接触。
[0031] 如图2所示，在本发明一些实施例中，上述RRAM存储单元结构500b的第一电极300与第二电极318的材质和形成方式可类似或相同于如图1所示的上述RRAM存储单元结构500a的第一电极200与第二电极218的材质和形成方式。上述RRAM存储单元结构500b的绝缘体-金属转变材料层306的材质和形成方式可类似或相同于上述RRAM存储单元结构500a的绝缘体-金属转变材料层206的材质和形成方式。并且，阻障层312的材质和形成方式可类似或相同于上述RRAM存储单元结构500a的阻障层212的材质和形成方式。
[0032] 图3A、图3B显示本发明的一实施例的电阻式随机存储器存储单元结构的操作机制示意图。图3A显示RRAM存储单元结构转变为低电阻态(金属态)的操作方式及能带的变化示意图。图3B显示RRAM存储单元结构转变为高电阻态(绝缘体态)的操作方式及能带的变化示意图。图3A、图3B中的元件400为RRAM存储单元结构的第一电极，元件406为RRAM存储单元结构的绝缘体-金属转变材料层，元件412为RRAM存储单元结构的阻障层，且元件418为RRAM存储单元结构的第二电极。另外
[0033] 如图3A箭头左侧的能带图所示，当对RRAM存储单元结构的第一电极400电性接地(GND)，且对第二电极418电性耦接至一不为零的正电压(+V)时，电子(e)会从第一电极400注入进入绝缘体-金属转变材料层406中(如单线箭头所示)。值得注意的是，由于RRAM存储单元结构的绝缘体-金属转变材料层406与被施加正电压的第二电极418通过阻障层212隔开。所以，当以图3A箭头左侧的方式操作RRAM存储单元结构时，从第一电极400注入的上述电子会被阻障层412阻挡而不会进入第二电极418而再度改变绝缘体-金属转变材料层206的电阻状态。上述过程可称为电子掺杂。如图3A箭头右侧的能带图所示，绝缘体-金属转变材料层406经过电子掺杂之后，其能带会转变为与第二电极418相同，意即绝缘体-金属转变材料层406转变为稳定的低电阻态(金属态)，具有金属的性质。并且，绝缘体-金属转变材料层406可与第一电极400形成欧姆接触，以增加电子掺杂的效率。
[0034] 如图3B箭头左侧的能带图所示，当对RRAM存储单元结构的第一电极400电性接地(GND)，且对第二电极418电性耦接至一不为零的负电压(-V)时，存在于绝缘体-金属转变材料层406中的电子(e)会逃出至第一电极400(如单线箭头所示)。如图3B图箭头右侧的能带图所示，电子逃出绝缘体-金属转变材料层406之后，其能带会回复未掺杂电子的状态，意即绝缘体-金属转变材料层406转变为稳定的高电阻态(绝缘体)，具有绝缘体的性质。值得注意的是，由于RRAM存储单元结构的绝缘体-金属转变材料层406与被施加负电压的第二电极418通过阻障层412隔开。所以，当以图3B箭头左侧的方式操作RRAM存储单元结构时，从第二电极418朝绝缘体-金属转变材料层406注入的电子，会被阻障层412阻挡而不会进入绝缘体-金属转变材料层406而再度改变绝缘体-金属转变材料层406的电阻状态。
[0035] 图4显示本发明的一实施例的电阻式随机存储器存储单元结构的电流对电压(I-V)关系示意图。在图4所示的实施例中，RRAM存储单元结构由一Ti第一电极、一TiO2绝缘体-金属转变材料层、一SiO2阻障层及一Ta第二电极依续堆叠形成，其中TiO2绝缘体-金属转变材料层的厚度约为30nm，且SiO2阻障层的厚度为10nm。
[0036] 如图4所示，本发明实施例的RRAM存储单元结构为一双极型(bipolar)的RRAM，其可通过施予一正电压而转换至设定状态。并且，本发明实施例的RRAM存储单元结构具有自限流(self-compliance)及自整流(self-rectifying)的特性。如图4所示，本发明实施例的RRAM存储单元结构可被约+5V的最小电压转换至设定状态及被约-4V的最小电压转换至重设状态。可利用-2V的电压进行读取本发明实施例的RRAM存储单元结构。由图4可知，由于本发明实施例的RRAM存储单元结构的阻障层的能隙选择大于绝缘体-金属转变材料层的能隙。所以，流向第二电极的电流在流经阻障层时，会被阻障层重整。并且，流向第一电极的电流则可轻易通过绝缘体-金属转变材料层。所以，当对RRAM存储单元结构施加正偏压(外加电压)增加时(从0V增加至+4V)，上述RRAM存储单元结构的电流会被重整，具有自整流(self-rectifying)特性，因而有效抑制潜电流。如图4所示，当对RRAM存储单元结构施加负偏压(外加电压)增加时(从0V增加至-4V)，RRAM存储单元结构会呈现两个电阻态。并且，当负偏压增加至-4V时，本发明实施例的RRAM存储单元结构可具有约小于10-5的电流限制极限(current compliance limit level)，具有自限流(self-compliance)特性。另外，在偏压(外加电压)约±2V时，上述RRAM存储单元结构的整流比值(current rectification ratio)(例如限流水平对整流水平的比例)约大于10。另外，如图4所示的不同样式的线段表示本发明实施例的RRAM存储单元结构经多次重复操作仍具有电阻转换特性。
[0037] 本发明实施例的RRAM存储单元结构可仅为1R存储单元结构，且具有类似于传统与非线性选择器连接的电阻器(例如1T1R、1D1R、1S1R、1BJT1R)的非线性电流对电压(I-V)关系的性质。此外，本发明实施例的RRAM存储单元结构可免去初始形成步骤，即可不需初始形成电压来活化上述RRAM存储单元结构。本发明实施例的RRAM存储单元结构可以避免因具较大电压的初始形成步骤而伤害本身结构，因而可具有较佳的可靠度。并且，本发明实施例的RRAM存储单元结构具有自限流及自整流的特性，其也可解决传统RRAM 3D交错阵列的1R存储单元的潜电流的问题。
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