TW201638946A - 電阻式隨機存取記憶體 - Google Patents

Abstract

一種電阻式隨機存取記憶體，包括第一電極、第二電極以及設置於第一電極與第二電極之間的可變電阻氧化物層。所述電阻式隨機存取記憶體更包括氧交換層、富氧層及第一氧阻障層。氧交換層設置於可變電阻氧化物層與第二電極之間。富氧層設置於氧交換層與第二電極之間。第一氧阻障層設置於氧交換層與富氧層之間。

Description

電阻式隨機存取記憶體

本發明是有關於一種非揮發性記憶體，且特別是有關於一種電阻式隨機存取記憶體。

目前，業界積極發展的一種非揮發性記憶體元件是電阻式隨機存取記憶體(resistive random access memory，RRAM)，其具有寫入操作電壓低、寫入抹除時間短、記憶時間長、非破壞性讀取、多狀態記憶、結構簡單以及所需面積小等優點，因此在未來將可成為個人電腦和電子設備所廣泛採用的非揮發性記憶體元件之一。

電阻式隨機存取記憶體一般是由上電極、下電極及介於其間的可變電阻氧化物層(resistance changeable oxide layer)所構成。由於電阻式隨機存取記憶體內的導電路徑是藉由氧空缺(oxygen vacancy)來控制低電阻態(low resistance state，LRS)，所以易受溫度影響的氧離子擴散成為電阻式隨機存取記憶體的熱穩定控制的重要關鍵。詳言之，電阻式隨機存取記憶體常會在高溫時難以保持在低電阻狀態，造成所謂「高溫數據保持能力 (high-temperature data retention，HTDR)」的劣化。

目前習知發現可使用如氮氧化矽(TiON)等的富氧層(oxygen-rich layer)來防止電流擴散，以增加電流密度，進而提升高溫數據保持能力。

然而，當富氧層(如，氮氧化鈦)失去氧離子時，富氧層將會失去其功能，而無法有效地提升電阻式隨機存取記憶體的高溫數據保持能力。

本發明提供一種電阻式隨機存取記憶體，其可有效地防止富氧層失去氧離子，進而可提升電阻式隨機存取記憶體的高溫數據保持能力。

本發明提出一種電阻式隨機存取記憶體，包括第一電極、第二電極以及設置於第一電極與第二電極之間的可變電阻氧化物層。所述電阻式隨機存取記憶體更包括氧交換層(oxygen exchange layer)、富氧層及第一氧阻障層(first oxygen barrier layer)。氧交換層設置於可變電阻氧化物層與第二電極之間。富氧層設置於氧交換層與第二電極之間。第一氧阻障層設置於氧交換層與富氧層之間。

依照本發明的一實施例所述，在上述的電阻式隨機存取記憶體中，第一電極例如是富鈦層(Ti-rich layer)。

依照本發明的一實施例所述，在上述的電阻式隨機存取 記憶體中，氧交換層的氧親和力(oxygen affinity)例如是大於第一電極的氧親和力。

依照本發明的一實施例所述，在上述的電阻式隨機存取記憶體中，第二電極的材料例如是氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、鈦(Ti)或鉭(Ta)。

依照本發明的一實施例所述，在上述的電阻式隨機存取記憶體中，可變電阻氧化物層的材料例如是過渡金屬氧化物(transition metal oxide，TMO)。

依照本發明的一實施例所述，在上述的電阻式隨機存取記憶體中，氧交換層的材料例如是鈦、鉭(Ta)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鉑(Pt)或鋁(Al)。

依照本發明的一實施例所述，在上述的電阻式隨機存取記憶體中，富氧層的材料例如是氮氧化鈦或氮氧化鉭(TaON)。

依照本發明的一實施例所述，在上述的電阻式隨機存取記憶體中，第一氧阻障層的材料例如是氮化鈦或氮化鉭。

依照本發明的一實施例所述，在上述的電阻式隨機存取記憶體中，更包括第二氧阻障層，設置於富氧層與第二電極之間。

依照本發明的一實施例所述，在上述的電阻式隨機存取記憶體中，第二氧阻障層的材料例如是氮化鈦或氮化鉭。

基於上述，在本發明所提出的電阻式隨機存取記憶體中，由於第一氧阻障層設置於氧交換層與富氧層之間，所以藉由第一氧阻障層可阻擋富氧層中的氧離子進入氧交換層中，而可有 效地防止富氧層失去氧離子。因此，在電阻式隨機存取記憶體具有第一氧阻障層的情況下，富氧層可保有防止電流分散與增加電流密度的功能，進而提升電阻式隨機存取記憶體的高溫數據保持能力。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧電阻式隨機存取記憶體

102、104‧‧‧電極

102a、102c‧‧‧氮化鈦層

102b‧‧‧鈦層

106‧‧‧可變電阻氧化物層

108、116‧‧‧氧空缺區塊

110‧‧‧氧交換層

112‧‧‧富氧層

114、118‧‧‧氧阻障層

圖1為本發明一實施例的電阻式隨機存取記憶體的剖面圖。

圖2為本發明另一實施例的電阻式隨機存取記憶體的剖面圖。

圖3為本發明另一實施例的電阻式隨機存取記憶體的剖面圖。

本文中請參照圖式，以便更加充分地體會本發明的概念，隨附圖式中顯示本發明的實施例。但是，本發明還可採用許多不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於底下所述之實施例。實際上，提供實施例僅為使本發明更將詳盡且完整，並將本發明之範疇完全傳達至所屬技術領域中具有通常知識者。

在圖式中，為明確起見可能將各層以及區域的尺寸以及 相對尺寸作誇張的描繪。

圖1為本發明一實施例的電阻式隨機存取記憶體的剖面圖。圖2為本發明另一實施例的電阻式隨機存取記憶體的剖面圖。圖3為本發明另一實施例的電阻式隨機存取記憶體的剖面圖。

請同時參照圖1至圖3，電阻式隨機存取記憶體100包括電極102、電極104以及設置於電極102與電極104之間的可變電阻氧化物層106。

電極102可作為下電極。電極102除了可為一般的導電層之外，更可為富鈦層。在本實施例中，電極102是以富鈦層為例來進行說明。當電極102為富鈦層時，有利於在電極102與可變電阻氧化物層106的介面產生氧空缺區塊(oxygen vacancy patch)108，因此有助於導電細絲(filament)的形成。此外，電極102可為單層結構或多層結構。

在圖1的實施例中，電極102是以單層結構為例進行說明。電極102的材料例如是氮化鈦，如TiN_x(x<1)，其可藉由在氮化鈦的濺鍍過程中降低氮氣的流量而達成。

在圖2與圖3的實施例中，電極102是以多層結構為例進行說明。請參照圖2，電極102包括堆疊設置的氮化鈦層102a與鈦層102b，其中氮化鈦層102a與可變電阻氧化物層106相互接觸。在熱製程中，氮化鈦層102a中的氮會移動到鈦層102b中，因此可使得氮化鈦層102a成為富含鈦的狀態。此外，電極102的富含鈦的程度(degree of Ti-richness)可藉由氮化鈦層102a與鈦層 102b的厚度比來進行調整。此外，亦可如同圖3所示，使電極102包括氮化鈦層102a、氮化鈦層102c與位於氮化鈦層102a與氮化鈦層102c之間的鈦層102b，而使得電極102成為富鈦層。氮化鈦層102a、鈦層102b與氮化鈦層102c的形成方法例如是物理氣相沉積法。

電極104可作為上電極。電極104的材料例如是氮化鈦、氮化鉭、鈦或鉭。電極104的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法(ALD)。

請繼續參照圖1至圖3，可變電阻氧化物層106的材料例如是過渡金屬氧化物，如氧化鉿或其他適當的金屬氧化物。可變電阻氧化物層106的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

電阻式隨機存取記憶體100更包括氧交換層110、富氧層112及氧阻障層114。

氧交換層110設置於可變電阻氧化物層106與電極104層之間，而可在氧交換層110與可變電阻氧化物層106的介面產生氧空缺區塊116，因此有助於導電細絲的形成。氧交換層110的氧親和力例如是大於電極102的氧親和力，而可使得氧空缺區塊116與氧空缺區塊108互不對稱，進而可減少互補切換(complementary switching，CS)的情況產生。氧交換層110的材料例如是鈦、鉭、鉿、鋯、鉑或鋁。氧交換層110的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

富氧層112設置於氧交換層110與電極104層之間。富氧層112可防止電流分散，以增加電流密度，進而提升高溫數據保持能力。富氧層112的材料例如是氮氧化鈦或氮氧化鉭。富氧層112的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。富氧層112的電阻值例如是500ohm至5Kohm，如1Kohm。富氧層112的片電阻值例如是超過1Kohm/sq。

氧阻障層114設置於氧交換層110與富氧層112之間。氧阻障層114可阻擋富氧層112中的氧離子從富氧層112內部移動到富氧層112外部，因此藉由氧阻障層114可阻擋富氧層112中的氧離子進入氧交換層110中，而可有效地防止富氧層112失去氧離子。如此一來，富氧層112可保有防止電流分散與增加電流密度的功能，進而提升電阻式隨機存取記憶體100的高溫數據保持能力。氧阻障層114的材料例如是氮化鈦或氮化鉭。氧阻障層114的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。

此外，電阻式隨機存取記憶體100更可選擇性地包括氧阻障層118。氧阻障層118設置於富氧層112與電極104層之間。氧阻障層118可更進一步地防止富氧層112在高溫解離時失去氧離子。如此一來，富氧層118可保有防止電流分散與增加電流密度的功能，進而提升電阻式隨機存取記憶體100的高溫數據保持能力。氧阻障層118的材料例如是氮化鈦或氮化鉭。氧阻障層118的形成方法例如是物理氣相沉積法或原子層沉積法。在其他實施例中，當電極104的材料為氧阻障材料(如，氮化鈦或氮化鉭)時， 亦可不在富氧層112與電極104層之間設置氧阻障層118。

基於上述實施例可知，由於氧阻障層114設置於氧交換層110與富氧層112之間，所以藉由氧阻障層114可阻擋富氧層112中的氧離子進入氧交換層110中，而可有效地防止富氧層112失去氧離子。因此，在電阻式隨機存取記憶體110具有氧阻障層114的情況下，富氧層112可保有防止電流分散與增加電流密度的功能，進而提升電阻式隨機存取記憶體110的高溫數據保持能力。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電阻式隨機存取記憶體

102、104‧‧‧電極

106‧‧‧可變電阻氧化物層

108、116‧‧‧氧空缺區塊

110‧‧‧氧交換層

112‧‧‧富氧層

114、118‧‧‧氧阻障層

Claims (10)

1. 一種電阻式隨機存取記憶體，包括一第一電極、一第二電極以及設置於該第一電極與該第二電極之間的一可變電阻氧化物層，所述電阻式隨機存取記憶體更包括：一氧交換層，設置於該可變電阻氧化物層與該第二電極之間；一富氧層，設置於該氧交換層與該第二電極之間；以及一第一氧阻障層，設置於該氧交換層與該富氧層之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該第一電極包括富鈦層。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該氧交換層的氧親和力大於該第一電極的氧親和力。
4. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該第二電極的材料包括氮化鈦、氮化鉭、鈦或鉭。
5. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該可變電阻氧化物層的材料包括過渡金屬氧化物。
6. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該氧交換層的材料包括鈦、鉭、鉿、鋯、鉑或鋁。
7. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該富氧層的材料包括氮氧化鈦或氮氧化鉭。
8. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該第一氧阻障層的材料包括氮化鈦或氮化鉭。
9. 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，更 包括一第二氧阻障層，設置於該富氧層與該第二電極之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該第二氧阻障層的材料包括氮化鈦或氮化鉭。