TWI394231B - 非揮發性記憶體胞元及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是關於一種非揮發性記憶體胞元及其製造方法，特別是關於一種電阻式記憶體胞元及其製造方法。
電阻式非揮發性記憶體元件具有低操作電壓、低消耗功率、快速讀寫、高資料讀寫次數容忍度以及微小記憶單位面積等優勢，因此有機會成為次世代非揮發性記憶體元件之主流技術之一，具有廣大的產業價值。
其中，導電橋接式記憶體(conductive-bridging random access memory，CBRAM)亦為其中一種受矚目的非揮發性記憶體。CBRAM胞元是將固態電解質(solid electrolyte，如Ag-Ge-Se、Cu/WO3
等)加在兩層金屬層之間而構築出來的基本記憶胞元，其藉由金屬離子在固態電解質中的氧化還原反應而使電解質中的金屬通道形成或消失。
請參考第一圖，其為習知導電橋接式記憶體胞元的示意圖。上電極是在工作電壓下會同步進行氧化還原的可氧化電極10，例如電解質使用Ag-Ge-Se時，可氧化電極可使用Ag，而下電極是不參與氧化的惰性電極11。當外加足夠的負電壓在惰性電極11後，電子會由該電極注入固態電解質12中，以起始金屬離子的還原反應，同時固態電解質12中減少的金屬離子數量可以由可氧化電極10進行氧化反應送出金屬離子而提供。藉由還原反應，金屬原子由惰性電極11朝向可氧化電極10以多個樹枝狀結構13開始成長，直到有任何一個樹枝狀結構13觸及可氧化電極10為止。連接惰性電極11和可氧化電極10的樹枝狀結構13即為提供電流通過的金屬通道，在該金屬通道的形成過程中，樹枝狀結構越多或越大都會造成電壓和金屬材料的浪費，且不同記憶胞元間金屬通道成長的差異性亦造成不同記憶胞元間工作電壓和電流的差異幅度增加，這是CBRAM在大量生產時的一大難題。
職是之故，發明人鑑於習知技術之缺失，乃經悉心試驗與研究並一本鍥而不捨之精神，終於構思出一種非揮法性記憶體胞元及其製造方法，以克服前述之諸多缺失。
本案所提供具有非平面電極的電阻式記憶體胞元可有效克服上述習知技術中存在的缺陷，其藉由陰極中距離陽極最近的一端點具有最大電場的特性，使金屬原子較易由該端點開始還原沉積，而有效節省金屬通道的形成時間和資源，進而使不同記憶胞元在調控上的一致性提高。
本發明之目的之一在於提供一種非揮發性記憶體胞元，其包含一第一電極；一第二電極，其在靠近該第一電極的一表面上具有一凸出區域，以使該凸出區域與該第一電極之間的一距離為該第一電極和該第二電極之間的一最短距離；以及一離子導體，配置於該第一電極和該第二電極之間。
根據上述構想，其中該第一電極是一可氧化電極。
根據上述構想，其中該第一電極的材料包含銀、銅或金。
根據上述構想，其中該凸出區域與該離子導體接觸的一第一面積小於該第二電極除了該凸出區域以外的一剩餘區域與該離子導體接觸的一第二面積。
根據上述構想，其中該第二電極是一惰性電極。
根據上述構想，其中該第二電極的材料包含鎢、鎳、鉬、鉑、矽、氮化鎢、氮化鉭或氮化鈦。
根據上述構想，其中該離子導體包含一硫屬化合物(chalcogenide)或一氧化物。
根據上述構想，其中該氧化物包含氧化鍺、氧化砷、氧化銀、氧化銅或氧化矽。
本案之另一目的為提供另一種非揮發性記憶體胞元，其包含一陽極；一陰極，其在靠近該陽極的一表面上具有一凸出區域；一離子導體，配置於該陽極和該陰極之間；以及一金屬通道，其在施加一偏壓跨於該陰極和該陽極之間時，形成於該離子導體中且從該陰極的該凸出區域延伸至該陽極。
根據上述構想，其中該陽極的材料包含金、銀或銅。
根據上述構想，其中該陰極的材料包含鎢、鎳、鉬、鉑、矽、氮化鎢、氮化鉭或氮化鈦。
根據上述構想，其中該凸出區域與該離子導體接觸的一第一面積小於該陰極除了該凸出區域以外的一剩餘區域與該離子導體接觸的一第二面積。
根據上述構想，其中該離子導體包含一硫屬化合物(chalcogenide)或一氧化物。
根據上述構想，其中該氧化物包含氧化鍺、氧化砷、氧化銀、氧化銅或氧化矽。
本案之另一目的更包含提供一種非揮發性記憶體胞元的製造方法，包含提供一第一電極；提供一第二電極，其在靠近該第一電極的一表面上具有一凸出區域，以使該凸出區域與該第一電極之間的一距離為該第一電極和該第二電極之間的一最短距離；以及提供一離子導體沉積於該第一電極和該第二電極之間。
根據上述構想，更包含施加一偏壓跨於該第一電極和該第二電極之間，以使一金屬通道從該凸出區域穿越該離子導體而向該第一電極生長，直到該金屬通道連接該第一電極與該第二電極為止。
根據上述構想，其中該第一電極的材料包含銀、銅或金。
根據上述構想，其中該第二電極的材料包含鎢、氮化鎢、氮化鉭或氮化鈦。
根據上述構想，其中該凸出區域與該離子導體接觸的一第一面積小於該第二電極除了該凸出區域以外的一剩餘區域與該離子導體接觸的一第二面積。
本發明得藉由下列之圖式及具體實施例的詳細說明，俾得一更深入之了解：
本發明將藉由下述之較佳實施例及其配合之圖示，做進一步之詳細說明。
請參閱第二圖，其為本發明所提非揮發性記憶體胞元的第一較佳實施例之側視示意圖。如圖中所示，上電極是在工作電壓下會同步進行氧化還原的可氧化電極20，而下電極是不參與氧化的惰性電極21，介於上述兩者之間的是離子導體22。惰性電極21在面向可氧化電極20的表面上具有最接近可氧化電極20的一凸出端210，該凸出端210與離子導體22接觸的面積較惰性電極21其他區域與離子導體22接觸的面積小。在寫入過程中，可氧化電極20是陽極而惰性電極21是陰極，當外加足夠的負電壓在惰性電極21後，陰極上最接近陽極的凸出端210相較於陰極的其他區域具有最高的電場，所以還原反應後的金屬原子會從凸出端210開始沉積，並逐漸向可氧化電極20成長。該凸出端210的形狀以及在該惰性電極21的位置並沒有限制，只要該凸出端210能夠提供從陰極到陽極的最短路徑，就可以達到使金屬通道23由該凸出端210開始成長且最快到達陽極的目的。同理，若施以相反的電壓，本發明的金屬通道23亦能以較快的速度氧化成離子狀態，使記憶體胞元回到高電阻值的狀態。
請繼續參閱第二圖。本實施例中的可氧化電極20包括可分解在離子導體22中的金屬材料，例如銀、銅或金，該金屬材料可維持離子導體22中的金屬離子濃度，並藉此增加離子導體22中金屬通道23的成長速度及穩定度。本實施例中的惰性電極21具有惰性材料，例如鎢、鎳、鉬、鉑、矽、氮化鎢、氮化鉭或氮化鈦等。此類惰性材料可以減少其與離子導體22之間氧化物、化合物或混合物的形成，這些化合物或混和物通常都具有比離子導體22或惰性材料更高的電阻值。
請參閱第三圖，其為本發明所提非揮發性記憶體胞元的第二較佳實施例之側視示意圖。第二較佳實施例與本發明第一較佳實施例的差別在於，在第二較佳實施例中上電極是具有凸出端310的非平面的惰性電極31，而下電極是可氧化電極30。類似於第一較佳實施例，離子導體32中的金屬通道33是由凸出端310逐漸向可氧化電極30成長。
請參考第四圖(A)-(E)，其為本發明所提非揮發性記憶體胞元的第二較佳實施例的製成方法示意圖。圖中提供一個簡易的平面製造流程以製造本發明的非揮發性記憶體胞元。本實施例的製程首先圖案化形成由可氧化電極30、離子導體32、硬遮罩層(hard mask)34和光阻層35所構成的如第四圖(A)中所示的結構。圖案化製程包括微影及蝕刻技術，以將已定義的圖案轉換至上述結構上。微影製程可包括光阻層35塗佈，軟烤(soft baking)、遮罩對準、曝光、後曝光烘烤，顯影、烤乾及移除光阻層35。蝕刻製程可包括，濕蝕刻、乾蝕刻、離子反應式蝕刻以及其他適合的蝕刻製程。硬遮罩層34為利用化學氣相沈積法、物理氣相沈積法或原子層沈積法所形成之氧化矽層、氮化矽層、氮氧化矽層，或上述材料之組合。移除光阻層35之後(如第四圖(B)所示)，進行乾蝕刻以在離子導體32的上表面製造出一個凹陷320(如第四圖(C)所示)。接著，將硬遮罩層34去除以露出離子導體32的上表面及上表面的凹陷320(如第四圖(D)所示)。最後，沉積惰性電極31在離子導體32的上表面(如第四圖(E)所示)，即可得到具有一凸出端310的上電極。
請參考第五圖(A)-(E)，其為本發明所提非揮發性記憶體胞元的第三較佳實施例的製成方法示意圖。如第五圖(A)中所示，本實施例的製程首先提供一氧化物層53於作為下電極的惰性電極51上，該氧化物層53僅覆蓋惰性電極51的部分上表面。接著，以適當的沉積法沉積金屬層54於第五圖(A)的結構上，該金屬層54與惰性電極51具相同材質且完全覆蓋氧化物層53暴露出來的部分和惰性電極51未被覆蓋的上表面(如第五圖(B)所示)。以回蝕刻法回蝕金屬層54後，露出氧化物層53並在氧化物層53的側壁上殘留部分的金屬層54(如第五圖(C)所示)，其中回蝕刻法為一非等向性蝕刻，如乾蝕刻、離子反應性蝕刻或其他電漿蝕刻製程。接著以乾蝕刻的方式去除氧化物層53，剩餘的部分即為具有一凸出端540的惰性電極51(如第五圖(D)所示)。最後，如第五圖(E)所示，在非平面的下電極表面上依序沉積離子導體52和可氧化電極50，即可得到下電極具有凸出端540的導電橋接式記憶體。
導電橋接式記憶體在寫入過程中，施加的功率越大(功率的大小受時間、電流、電壓及/或其他相關的因素所控制)，在離子導體中構成金屬通道的樹枝狀結構就越大。本發明的概念是藉由上電極或下電極的一凸出端來節省兩極間金屬通道形成和消失的時間和資源，資源包含電壓和金屬材料等。因凸出端電場最大，故凸出端的部分最快開始進行還原反應，且因凸出端最接近陽極，故由凸出端開始形成的金屬通道會最快完成導電路徑，因此可降低寫入過程的電壓。此外，具有本發明概念的非揮發性記憶體胞元經由本發明之設計，可藉由控制陰極的凸出端和陽極之間的距離而有效控制操作電壓、電流和時間，藉此降低不同非揮發性記憶體胞元間的差異性。熟悉本技藝之人士任施匠思以任何形式改變凸出端的形狀、位置或製成方式，然皆不脫離本發明之精神和範圍內及如附申請專利範圍所欲保護者。
10、20、30、50．．．可氧化電極
11、21、31、51．．．惰性電極
12．．．固態電解質
13．．．樹枝狀結構
210、310、540．．．凸出端
22、32、52．．．離子導體
23、33．．．金屬通道
320．．．凹陷
34．．．硬遮罩層(hard mask)
35．．．光阻層
53．．．氧化物層
54．．．金屬層
第一圖：習知導電橋接式記憶體胞元的示意圖；
第二圖：本發明所提非揮發性記憶體胞元的第一較佳實施例之側視示意圖；
第三圖：本發明所提非揮發性記憶體胞元的第二較佳實施例之側視示意圖；
第四圖(A)-(E)，其為本發明所提非揮發性記憶體胞元的第二較佳實施例的製成方法示意圖；及
第五圖(A)-(E)，其為本發明所提非揮發性記憶體胞元的第三較佳實施例的製成方法示意圖。
20．．．可氧化電極
21．．．惰性電極
210．．．凸出端
22．．．離子導體
23．．．金屬通道
Claims (16)
- 一種非揮發性記憶體胞元，其包含：一第一電極；一第二電極，其在靠近該第一電極的一表面上具有一凸出區域，以使該凸出區域與該第一電極之間的一距離為該第一電極和該第二電極之間的一最短距離；以及一離子導體，配置於該第一電極和該第二電極之間，其中該凸出區域與該離子導體接觸的一第一面積小於該第二電極除了該凸出區域以外的一剩餘區域與該離子導體接觸的一第二面積。
- 如申請專利範圍第1項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該第一電極是一可氧化電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該第一電極的材料包含銀、銅或金。
- 如申請專利範圍第1項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該第二電極是一惰性電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該第二電極的材料包含鎢、鎳、鉬、鉑、矽、氮化鎢、氮化鉭或氮化鈦。
- 如申請專利範圍第1項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該離子導體包含一硫屬化合物(chalcogenide)或一氧化物。
- 如申請專利範圍第6項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該氧化物包含氧化鍺、氧化砷、氧化銀、氧化銅或氧化矽。
- 一種非揮發性記憶體胞元，其包含：一陽極；一陰極，其在靠近該陽極的一表面上具有一凸出區域；一離子導體，配置於該陽極和該陰極之間；以及一金屬通道，其在施加一偏壓跨於該陰極和該陽極之間時，形成於該離子導體中且從該陰極的該凸出區域延伸至該陽極，其中該凸出區域與該離子導體接觸的一第一面積小於該陰極除了該凸出區域以外的一剩餘區域與該離子導體接觸的一第二面積。
- 如申請專利範圍第8項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該陽極的材料包含金、銀或銅。
- 如申請專利範圍第8項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該陰極的材料包含鎢、鎳、鉬、鉑、矽、氮化鎢、氮化鉭或氮化鈦。
- 如申請專利範圍第8項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該離子導體包含一硫屬化合物(chalcogenide)或一氧化物。
- 如申請專利範圍第11項所述的非揮發性記憶體胞元，其中該氧化物包含氧化鍺、氧化砷、氧化銀、氧化銅或 氧化矽。
- 一種非揮發性記憶體胞元的製造方法，包含：提供一第一電極；提供一第二電極，其在靠近該第一電極的一表面上具有一凸出區域，以使該凸出區域與該第一電極之間的一距離為該第一電極和該第二電極之間的一最短距離；以及提供一離子導體沉積於該第一電極和該第二電極之間，其中該凸出區域與該離子導體接觸的一第一面積小於該第二電極除了該凸出區域以外的一剩餘區域與該離子導體接觸的一第二面積。
- 如申請專利範圍第13項所述的方法，更包含：施加一偏壓跨於該第一電極和該第二電極之間，以使一金屬通道從該凸出區域穿越該離子導體而向該第一電極生長，直到該金屬通道連接該第一電極與該第二電極為止。
- 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中該第一電極的材料包含銀、銅或金。
- 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中該第二電極的材料包含鎢、氮化鎢、氮化鉭或氮化鈦。
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