自整流電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及3d交錯(cuò)陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種存儲(chǔ)器裝置，且特別關(guān)于一種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及3D交錯(cuò)陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路功能性的增加，對(duì)存儲(chǔ)器的需求亦隨之增加。設(shè)計(jì)者已著眼于減少存儲(chǔ)器元件的尺寸，并于單位區(qū)域內(nèi)堆疊更多的存儲(chǔ)器元件，以達(dá)到更多的容量并使每位所需的成本更低。在最近幾十年中，由于光刻技術(shù)的進(jìn)步，快閃存儲(chǔ)器已廣泛用作大容量且不昂貴的非易失性存儲(chǔ)器，其可在電源關(guān)閉時(shí)仍存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，快閃存儲(chǔ)器可通過(guò)3D交錯(cuò)陣列來(lái)達(dá)到高密度，例如使用垂直NAND存儲(chǔ)單元堆疊。然而，已發(fā)現(xiàn)的是，快閃存儲(chǔ)器的尺寸微縮會(huì)隨成本增高而受限。
[0003]設(shè)計(jì)者正在尋找下一代的非易失性存儲(chǔ)器，例如磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)、相變化隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Phase ChangeRandom Access Memory, PCRAM)、導(dǎo)電橋接式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Conductive BridgingRandom Access Memory, CBRAM)及電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Resistive Random AccessMemory, RRAM)，以增加寫入速度及減少功耗。在上述種類的非易失性存儲(chǔ)器中，RRAM的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且具有簡(jiǎn)單的交錯(cuò)陣列及可于低溫制造，使得RRAM具有最佳的潛力來(lái)取代現(xiàn)有的快閃存儲(chǔ)器。RRAM的單位元件僅由一絕緣體及兩金屬電極組成。
[0004]雖然RRAM交錯(cuò)陣列的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在制造上仍有許多問(wèn)題待解決，特別是其3D交錯(cuò)陣列。如無(wú)法形成3D交錯(cuò)陣列，就高容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置來(lái)說(shuō)，RRAM的每位成本有可能無(wú)法與3D NAND存儲(chǔ)器競(jìng)爭(zhēng)。
[0005]RRAM交錯(cuò)陣列理論上可容許4F2的最小單元胞尺寸(其中F為最小元件尺寸)，且低溫制造工藝可容許存儲(chǔ)器陣列的堆疊達(dá)到前所未有的集成密度。然而，在1R結(jié)構(gòu)中(僅具有一電阻元件)，會(huì)有潛電流(sneak current)通過(guò)相鄰未被選擇的存儲(chǔ)單元，而嚴(yán)重地影響讀取裕量(read margin)，且限制交錯(cuò)陣列的最大尺寸低于64位。此問(wèn)題可通過(guò)增加非線性選擇裝置與這些電阻轉(zhuǎn)換元件串聯(lián)予以解決。例如，已發(fā)展出一二極管搭配一電阻(1D1R)、一選擇器搭配一電阻(1S1R)、一雙極性接面晶體管搭配一電阻(1BJT1R)、一M0SFET晶體管搭配一電阻(1T1R)等存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。在上述存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)中，1BJT1R結(jié)構(gòu)及1T1R結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜且需高溫制造工藝而較不適用，且互補(bǔ)式電阻轉(zhuǎn)換元件(CRS)存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)亦有破壞性讀出的問(wèn)題。因此，1D1R結(jié)構(gòu)及1S1R結(jié)構(gòu)較適合3D交錯(cuò)陣列的運(yùn)用。
[0006]然而，1D1R及1S1R的3D交錯(cuò)陣列仍不易于制造。1D1R及1S1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)基本上是由一金屬-絕緣體-金屬-絕緣體-金屬(MIMIM)結(jié)構(gòu)形成。圖1顯示一由1D1R或1S1R存儲(chǔ)單元堆疊結(jié)構(gòu)所形成的理想RRAM 3D交錯(cuò)陣列。1D1R及1S1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的ΜΠΟΜ結(jié)構(gòu)形成于導(dǎo)線102及104之間并沿一水平軸106延伸，此水平軸106垂直于導(dǎo)線102及104的側(cè)壁。然而，RRAM 3D交錯(cuò)陣列通常形成于半導(dǎo)體基材中。在形成導(dǎo)線102之后，光刻制造工藝僅能自方向110進(jìn)行。自方向110進(jìn)行的光刻制造工藝可能無(wú)法形成如圖1所示的圖案化金屬層108，因而使得1D1R及1S1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的3D交錯(cuò)陣列無(wú)法被頭際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及3D交錯(cuò)陣列，以解決傳統(tǒng)RRAM 3D交錯(cuò)陣列不易制造及其1R存儲(chǔ)單元的潛電流問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明實(shí)施例提供的自整流RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，包含:一第一電極層，由一第一金屬兀素的氮化物構(gòu)成；一第二電極層，由一與第一金屬兀素不同的第二金屬兀素構(gòu)成；以及一第一電阻轉(zhuǎn)換層與一第二電阻轉(zhuǎn)換層，其中第一電阻轉(zhuǎn)換層夾設(shè)于第一電極層與第二電阻轉(zhuǎn)換層之間，且第二電阻轉(zhuǎn)換層夾設(shè)于第一電阻轉(zhuǎn)換層與第二電極層之間，其中第一電阻轉(zhuǎn)換層具有一第一能隙，第二電阻轉(zhuǎn)換層具有一第二能隙，第一能隙小于第二能隙。
[0009]本發(fā)明實(shí)施例亦提供的RRAM 3D交錯(cuò)陣列，包含:一組彼此平行的水平導(dǎo)線，由一第一金屬元素的氮化物構(gòu)成；一組彼此平行的垂直導(dǎo)線，由一與第一金屬元素不同的第二金屬元素構(gòu)成；以及一第一電阻轉(zhuǎn)換層與一第二電阻轉(zhuǎn)換層，形成于每一水平導(dǎo)線的側(cè)壁上并接觸于彼此平行的垂直導(dǎo)線，其中第一電阻轉(zhuǎn)換層具有一第一能隙，第二電阻轉(zhuǎn)換層具有一第二能隙，第一能隙小于第二能隙。
[0010]本發(fā)明的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)不需中間金屬層，故RRAM 3D交錯(cuò)陣列可被輕易制造。并且，由于本發(fā)明的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)具有自限流及自整流的特性，其亦可解決傳統(tǒng)RRAM 3D交錯(cuò)陣列的1R存儲(chǔ)單元的潛電流的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為一具有1D1R或1S1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的RRAM 3D交錯(cuò)陣列的立體示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
[0014]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的RRAM 3D交錯(cuò)陣列的立體示意圖。
[0015]圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例的RRAM 3D交錯(cuò)陣列的立體示意圖。
[0016]圖6為本發(fā)明一些實(shí)施例的RRAM存儲(chǔ)單元的電流對(duì)電壓(1-V)關(guān)系圖。
[0017]符號(hào)說(shuō)明:
[0018]102、104 導(dǎo)線；
[0019]106 水平軸；
[0020]108圖案化金屬層；
[0021]110 方向；
[0022]201、301第三電阻轉(zhuǎn)換層；
[0023]202第一電極層；
[0024]204、304第一電阻轉(zhuǎn)換層；
[0025]206、306第二電阻轉(zhuǎn)換層；
[0026]208第二電極層；
[0027]302彼此平行的水平導(dǎo)線；
[0028]308彼此平行的垂直導(dǎo)線。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下將詳述本發(fā)明實(shí)施例的制作與使用方式。然應(yīng)注意的是，本發(fā)明提供許多可供應(yīng)用的發(fā)明概念，其可以多種特定型式實(shí)施。文中所舉例討論的特定實(shí)施例僅為制造與使用本發(fā)明的特定方式，非用以限制本發(fā)明的范圍。此領(lǐng)域的技術(shù)人員自本發(fā)明書的權(quán)利要求中所能推及的所有實(shí)施方式皆屬本發(fā)明書所欲揭露的內(nèi)容。此外，在不同實(shí)施例中可能使用重復(fù)的標(biāo)號(hào)或標(biāo)示。這些重復(fù)僅為了簡(jiǎn)單清楚地?cái)⑹霰景l(fā)明，不代表所討論的不同實(shí)施例及/或結(jié)構(gòu)之間具有任何關(guān)聯(lián)性。再者，當(dāng)述及一第一材料層位于一第二材料層上或之上時(shí)，包括第一材料層與第二材料層直接接觸或間隔有一或更多其他材料層的情形。
[0030]本發(fā)明提供一種RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，其不具有選擇器，但可表現(xiàn)出類似于1D1R或1S1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的自整流及自選擇的特性。此外，本發(fā)明的RRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于RRAM 3D交錯(cuò)陣列。
[0031]圖2顯示為依照本發(fā)明一實(shí)施例的電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。此RRAM的存儲(chǔ)單元包含一第一電極層202、一第一電阻轉(zhuǎn)換層204、一第二電阻轉(zhuǎn)換層206及一第二電極層208。第一電阻轉(zhuǎn)換層204及第二電阻轉(zhuǎn)換層206可夾設(shè)于第一電極層202及第二電