TWI876385B

TWI876385B - 具有化合物非反應性電極的電阻式隨機存取存儲器件

Info

Publication number: TWI876385B
Application number: TW112122820A
Authority: TW
Inventors: 民憲張; 明哲吳; 寧葛
Original assignee: 美商特憶智能科技公司
Priority date: 2023-02-01
Filing date: 2023-06-17
Publication date: 2025-03-11
Also published as: TW202434069A

Abstract

本發明涉及電阻式隨機存取存儲（RRAM）器件。在一些實施例中，所述RRAM器件包括第一電極、包括第一導電材料的第二電極和位於所述第一電極和所述第二電極之間的切換氧化物層。所述切換氧化物層包括至少一種過渡性金屬氧化物。所述第一電極包括包含金屬氮化物的金屬氮化物層和製造於所述金屬氮化物層上的金屬層。所述金屬層包括不與所述至少一種過渡性金屬氧化物反應的金屬。在一些實施例中，第一電極中的金屬氮化物包括氮化鈦和/或氮化鉭。所述金屬層包括貴金屬層，例如鉑、鈀、銥或釕等。

Description

具有化合物非反應性電極的電阻式隨機存取存儲器件

本發明實施方式通常關於一種電阻式隨機存取存儲器（RRAM），更為具體地、關於一種具有化合物非反應性電極的RRAM器件。

RRAM器件是一種具有可調且非易失性電阻的雙端無源器件。通過向所述RRAM器件施加合適的編程信號，所述RRAM器件的電阻可以在高阻態（HRS）和低阻態（LRS）之間進行電切換。RRAM器件可以被用於形成交叉陣列，所述交叉陣列可以用於實現內存內計算應用、非易失性固態存儲器、圖像處理應用、神經網絡等。

以下是本發明的簡要發明內容，用於提供對本發明的一些方面的基本理解。發明內容不是本發明的廣泛概述。發明內容並非旨在識別本發明的關鍵或重要要素，也並非旨在說明本發明的特定實現的任何範圍或者申請專利範圍的任何範圍。發明內容的唯一目的是作為後續呈現的更詳細描述的語言簡化呈現本發明的一些概念。

根據本發明的一個或多個方面，電阻式隨機存取存儲（RRAM）器件包括：第一電極，包括第一導電材料的第二電極；和位於所述第一電極和所述第二電極之間的切換氧化物層。所述第一電極包括包含金屬氮化物的金屬氮化物層和製造於所述金屬氮化物層上的金屬層。所述切換氧化物層包括至少一種過渡性金屬氧化物。在一些實施例中，所述金屬層包括不與所述至少一種過渡性金屬氧化物反應的金屬。

在一些實施例中，所述金屬氮化物包括氮化鈦或氮化鉭中的至少一種。

在一些實施例中，所述不與所述至少一種過渡性金屬氧化物發生反應的金屬包括鉑、鈀、銥或釕中的至少一種。

在一些實施例中，所述金屬層比所述金屬氮化物層薄。

在一些實施例中，所述金屬層的厚度在3nm和10nm之間。

在一些實施例中，所述所述金屬氮化物層的厚度在20nm和50nm之間。

在一些實施例中，所述至少一種過渡性金屬氧化物包括HfOx或TaOy中的至少一種，其中x≤2.0且y≤2.5。

在一些實施例中，所述第二電極中的導電材料包括鉭。

在一些實施例中，所述RRAM器件進一步包括位於所述切換氧化物層和所述第二電極之間的界面層。在一些實施例中，所述界面層包括氧化鋁。

在一些實施例中，所述RRAM器件進一步包括選自鈦或鉭中的至少一種的黏合層，其中所述金屬氮化物層是製造於所述黏合層上。

根據本發明披露的一個或多個方法，一種製造電阻式隨機存取存儲（RRAM）器件的方法包括：製造第一電極；在所述第一電極上製造所述切換氧化物層；和在所述切換氧化物層上製造包括導電材料的第二電極。所述切換氧化物層包括至少一種過渡性金屬氧化物。所述第一電極包括：金屬氮化物層和金屬層。所述金屬氮化物層包括金屬氮化物。所述金屬層製造於所述金屬氮化物層之上。在一些實施例中，所述金屬層包括不與所述至少一種過渡性金屬氧化物發生反應的金屬。

在一些實施例中，所述金屬層比所述金屬氮化物層薄。

在一些實施例中，所述金屬層的厚度在3nm和10nm之間。

在一些實施例中，所述金屬氮化物層的厚度在20nm和50nm之間。

在一些實施例中，所述方法進一步包括在所述切換氧化物層上製造界面層，其中所述界面層位於所述切換氧化物層和所述第二電極之間，且所述界面層包括氧化鋁。

在一些實施例中，所述方法進一步包括製造包含鈦或鉭中的至少一種的黏合層，其中所述金屬氮化物層製造於所述黏合層上。

根據本發明的一個或多個方面，一種製造非反應性電極的方法包括：製造包括鈦或鉭中的至少一種的黏合層；在黏合層上製造包括至少一種金屬氮化物的金屬氮化物層，其中所述金屬氮化物包括氮化鈦或氮化鉭中的至少一種；在所述金屬氮化物層上製造包括貴金屬的金屬層；和選擇性去除所述黏合層、所述金屬氮化物層和所述金屬層中的一個或多個部分以製造所述非反應性電極。

本發明的各個方面提供了RRAM器件和製作RRAM器件的方法。一個RRAM器件是具有可調電阻的兩端無源器件。所述RRAM器件可以包括第一電極、第二電極和位於所述第一電極和所述第二電極之間的切換氧化物層。在一些實施例中，所述第一電極和所述第二電極可以分別是所述RRAM器件的底電極和頂電極。在一些實施例中，所述第一電極和所述第二電極可以分別是所述RRAM器件的頂電極和底電極。所述第一電極可以包括非反應性金屬，例如鉑（Pt）、鈀（Pd）、釕（Ru）等。所述第二電極可以包括反應性金屬，例如鉭（Ta）。包括非反應性金屬的電極還可以被稱為“非反應性電極”。包括反應性金屬的電極還可以被稱為“反應性電極”。所述切換氧化物層可以包括過渡金屬氧化物，例如氧化鉿（HfOx）或氧化鉭（TaOx）。所述RRAM器件可以處於初始狀態或原始狀態，並且在其收到適當的電刺激（例如，施加到RRAM器件上的電壓或電流信號）之前有一個初始高電阻。所述RRAM器件可以通過形成過程從原始狀態轉換到低阻態，或通過設置過程從高阻態切換到低阻態。所述形成過程是指從原始狀態開始對器件進行編程。所述設置過程是指從高阻態（HRS）開始對器件進行編程。在所述反應性金屬電極沉積在所述切換氧化物上後，所述反應性金屬可以吸收來自於切換氧化物層的氧離子，在所述切換氧化物層中創造氧空位，氧離子可以通過空位機制在所述切換氧化物中遷移。在形成過程中，施加到所述RRAM器件上的適當的編程信號（例如，電壓或電流信號）可以引起氧離子漂移，從所述切換氧化物遷移到反應性電極。因此，導電信道或導電絲可以穿過所述切換氧化物層（例如，從反應性電極到非反應性電極）。然後，可以通過向所述RRAM器件施加一個複位信號（例如，電壓信號、電流信號），將所述RRAM器件複位至高阻態。向所述RRAM器件施加所述複位信號可以使得氧離子遷移回切換氧化物層，從而可能中斷導電絲。通過向所述RRAM器件施加適當的編程信號（例如，電壓信號、電流信號），所述RRAM器件可以在高阻態和低阻態之間進行電切換。在交叉陣列電路中，所述編程信號可以通過選擇器，例如晶體管或二極管，提供給指定的RRAM器件。

在非反應性電極中含有鉑（Pt）的RRAM器件可以提供RRAM高性能，例如可靠性、耐久性、多級性、保持性等。在一種包括含有鉑的底電極、包括氧化鉭的切換氧化物層和包括Ta的RRAM器件（還可以被稱為“Pt/TaOx/Ta系統”），TaOx中的Ta絲表現出卓越的線性、模擬性、保持和耐用性等性能。在一個Pt/HfOx/Ta系統中，Ta可以遷移到HfOx中從而在HfOx中形成富含Ta的細絲，並且在IMC應用中表現出了卓越的線性、模擬、保持和耐用性。然而，鉑的材料和加工成本很高，且主要製造工廠可能還沒有準備好在其生產工藝中加入鉑。

根據本發明一些實施例，RRAM器件的化合物非反應性電極可以包括金屬氮化物層和金屬層。所述金屬氮化物層可以包括一種或多種金屬氮化物，例如TiN、TaN等。所述金屬層可以包括非反應性金屬，例如Pt、Pd、Ru、Ir等。所述金屬層可以比金屬氮化物薄的多。例如，在一些實施例中，所述金屬氮化物層可以在大約20nm到25nm之間，所述金屬層可以在大約3nm和大約8nm之間。

TiN和TaN都是導電材料，且也與CMOS工藝兼容，可以批量生產，並且生產成本比Pt低得多。在非反應性電極中含有TiN或TaN的RRAM器件可以呈現出IMC應用所需要的特定特性，例如多級開關電阻和/或模擬行為。與具有單獨包括TiN或TaN的非反應性電極的RRAM器件相比，具有包含Pt的非反應性電極的RRAM器件可以具有更好的性能，但是可能會更昂貴。通過結合金屬氮化物層和相比金屬氮化物層薄的多的金屬層（例如，Pt、Pd、Ru、Ir等層），本文所描述的製造化合物非反應性電極提供了製造具有期望開關和模擬電阻行為的RRAM器件的經濟高效的解決方案。

與使用基於Pt的非反應性電極的傳統RRAM器件相比，本發明所述的使用化合物非反應性電極的RRAM器件擁有更低的材料和製作成本，可用於CMOS工藝，且可以批量生產。本文發明的RRAM器件在多級切換和模擬行為上呈現了適當的性能和能力。

圖1是示出了根據本發明一些實施例中交叉開關電路的示例100的示意圖。如圖所示，交叉開關電路100可以包括用於n行乘m列的交叉陣列的多個互聯導電線，例如一個或多個行線111a、111b、…、111i、…、111n，和列線113a、113b、…、113j、…、113m。所述交叉開關電路100可以進一步包括交叉點器件120a、120b、…、120z等。每個交叉點器件可以連接行線和列線。例如，交叉點器件120ij可以連接行線111i和列線113j。在一些實施例中，交叉開關電路100可以進一步包括數模轉換器（DAC，未顯示），模數轉換器（ADC，未顯示）、開關（未顯示）和一個或多個用於實施基於交叉開關的裝置的適當的電路組件。列線113a-m的數量和行線111a-n的數量可以相同，也可以不相同。

行線111可以包括第一行線111a、第二行線111b、…、111i、…和第n行線111n。每個行線111a、…、111n可以是和/或包括任何合適的導電材料。在一些實施例中，每個行線111a-n可以是金屬線。

列線113可以包括第一列線113a、第二列線113b、…和第m列線113m。每個列線113a-m可以是和/或包括任何合適的導電材料。在一些實施例中，每個列線113a-m可以是金屬線。

每個交叉點器件120可以是和/或包括具有可調電阻的任何合適的器件，例如憶阻器、相變存儲器（PCM）器件、浮柵、自旋電子器件、電阻式隨機存取存儲器（RRAM）、靜態隨機存取存儲器（SRAM）等。在一些實施例中，交叉點器件120中的一個或多個可以包括如結合圖3A-9C所描述的RRAM器件。

交叉開關電路100可以執行並行加權的電壓相乘和電流求和。例如，可以將輸入電壓信號施加到交叉開關電路100的一行或多行（例如，一個或多個選擇行）。所述輸入信號可以流經所述交叉開關電路100的行的交叉點器件。所述交叉點器件的電導可以調節至一個特定值（也可以被稱為“加權值”）。根據歐姆定律，輸入電壓乘以交叉點電導，並生成流經交叉點器件的電流。通過基爾霍夫定律，通過每一列上的器件的電流的總和生成電流作為輸出信號，該輸出信號可以從列中讀取（例如，ADC的輸出）。根據歐姆定律和基爾霍夫電流定律，交叉陣列的輸入-輸出關係可以表示為I=VG，其中I為輸出信號矩陣，表示為電流；V為輸入信號矩陣，表示為電壓；G為交叉點器件的電導矩陣。因此，輸入信號根據歐姆定律在每個交叉點器件處被其電導進行加權。加權後的電流通過每個列線輸出，並根據基爾霍夫電流定律進行累積。這可以通過實施在交叉陣列中的並行乘法和求和來實現內存內計算（IMC）。

圖2是示出了根據本發明實施例的交叉點器件的示例200的示意圖。如圖所示，交叉點器件200可以連接位線（BL）211、選線（SEL）213和字線（WL）215。所示位線211和字線215可以分別是如圖1所述的列線和行線。

交叉點器件200可以包括RRAM器件201和晶體管203。晶體管是一種三端器件，可以分別標記為柵極（G）、源極（S）和漏極（D）。晶體管203可以串聯連接到RRAM器件201。如圖2所示，所述RRAM器件201的第一電極可以被連接至所述晶體管203的漏極。RRAM器件201的第二電極可以被連接至位線211。所述晶體管203的源極可以被連接至字線215。所述晶體管203的柵極可以被連接至選線213。RRAM器件201可以包括結合如下圖3A-9C所描述的一個或多個RRAM器件。交叉點器件200還可以被稱為一晶體管一電阻器（1T1R）配置。所述晶體管203可以用作選擇器以及電流控制器，其可以在編程期間設置RRAM器件201的電流順應性。晶體管203的柵極電壓可以在編程期間設置交叉點器件200的電流順應性，並因此控制交叉點器件200的電導和模擬行為。例如，當交叉點器件200從高阻態設置為低阻態時，設置信號（例如，電壓信號、電流信號）可以通過位線（BL）211提供。另一個電壓，也被稱為選擇電壓或柵極電壓，可以通過選線（SEL）213施加到晶體管柵極以打開柵極並設置電流順應性，而字線（WL）215可以設置為接地。當交叉點器件200從低阻態複位至高阻態時，柵極電壓可以通過選線213施加到晶體管的柵極以打開晶體管柵極。同時，複位信號可以通過字線215發送給RRAM器件201，而位線211可以設置為接地。

圖3A、3B和3C示出了根據本發明一些實施例的示例RRAM器件300a、300b和300c的截面圖。RRAM器件300b和300c可以分別對應於RRAM器件300a的低阻態和高阻態。

如圖3A所示，RRAM器件300a可以包括襯底310、製造在襯底310上的第一電極320、切換氧化物層330和第二電極340。切換氧化物層330製造於第一電極320和第二電極340之間。襯底310可以包括可用於RRAM器件襯底的任何合適材料的一層或者多層，例如矽（Si）、二氧化矽（SiO2）、氮化矽（Si3N4）、氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）等。在一些實施例中，襯底310可以包括二極管、晶體管、互連、集成電路等。在一些實施例中，所述襯底可以包括驅動電路，該驅動電路包括可以單獨控制的一個或多個電路（例如，電路陣列）。在一些實施例中，所述驅動電路可以包括一個或多個互補金屬氧化物半導體（CMOS）驅動器。

第一電極320可以包括金屬氮化物，該金屬氮化物對製造的切換氧化物層是可導電和非反應性的。所述金屬氮化物可以具有合適的化學穩定性使得其在RRAM切換期間不與氧發生反應。所述金屬氮化物可以包括，例如氮化鈦（TiN）、氮化鉭（TaN）等。第一電極320還可以包括非反應性金屬，非反應金屬具有電子導電性和在RRAM切換期間不與氧發生反應，例如鉑（Pt）、鈀（Pd）、銥（Ir）、釕（Ru）等。在其非反應性電極具有金屬氮化物和非反應金屬的RRAM器件具有IMC應用所需的多級電阻和模擬行為。

在一些實施例中，第一電極320可以是和/或包括結合圖4所描述的化合物底電極。例如，第一電極320可以包括包含一種或多種金屬氮化物（例如，TiN、TaN等）的金屬氮化物層。第一電極320還進一步包括包含製造在金屬氮化物層上的包含一種或多種貴金屬（例如，Pt、Pb、Ir、Ru等）的金屬層。在一些實施例中，所述金屬層比金屬氮化物層薄。

在一些實施例中，可以在第一電極和襯底310之間製造Ta和/或Ti層，以增強襯底310和RRAM器件320組件之間的黏附性。

切換氧化物層330可以包括二元氧化物、三元氧化物和高級氧化物中的一種或多種過渡性金屬氧化物，例如T _aO _x、HfO _x、TiO _x,、NbO _x、 ZrO _x等。在一些實施例中，第一電極320中非反應性材料的化學穩定性可以高於切換氧化物層330中過渡性金屬氧化物的化學穩定性。在一些實施例中，所述過渡性金屬氧化物包括HfO _x或 TaO _x中的至少一種，其中x可以被用於指示氧化物與其完全（或末端）氧化物相比是缺氧的，且x的值可以根據其完全氧化物的化學計量中的氧和金屬原子的比值進行變化，例如對於HfO _x（其中HfO ₂是完全氧化物）x≤2.0，對於TaO _x（其中Ta ₂O ₅是完全氧化物），x≤2.5。

第二電極340可以包括電子導電的且對切換氧化物是反應性的任何合適的金屬材料。例如，第二電極340中的金屬材料可以包括Ta、Hf、Ti、TiN、TaN等。第二電極340可以與切換氧化物發生反應，並具有合適的氧溶解度從而可以從所述切換氧化物層330中吸收氧並在所述切換氧化物層330中產生氧空位。換句話說，第二電極340中的所述反應性金屬材料可以具有合適的氧溶解度和/或氧遷移率。在一些實施例中，第二電極340不僅可以在所述切換氧化物層330中產生氧空位（例如，通過清除氧），還可以在單元編程期間充當所述切換氧化物層330的氧存儲器或氧源。

RRAM器件330a在製造後可以具有初始電阻（本文也稱為“原始電阻”）。所述RRAM器件300a的初始電阻可以被改變，且RRAM器件300a可以通過形成過程被切換到較低電阻的狀態。例如，可以向RRAM器件300a施加一個適當的電壓或電流。向RRAM器件300a施加的電壓可以引起第二電極中的金屬材料從所述切換氧化物層330中吸收氧，並在所述切換氧化物層中生成氧空位。結果，可以在切換氧化物層330中形成富含氧空位的導電通道（例如，導電絲）。例如，如圖3B所示，導電通道335a可以形成於所述切換氧化物層中。如圖所示，導電通道335a可以從第二電極340跨過所述切換氧化物層330到第一電極320。RRAM器件300b可以被複位至高阻態。例如，可以在複位過程中向RRAM器件300b施加複位信號（例如，電壓信號或電流信號）。在一些實施例中，設置信號和複位信號可以擁有相反的極性，例如分別為正信號和負信號。複位信號的應用可以引起氧漂移回所述切換氧化物層330，且與一個或多個氧空位重新結合。例如，在複位過程中，可以在切換氧化物層330中形成如圖3C所示的中斷導電通道335b。如圖所示，導電通道可以被位於中斷導電通道335b和第一電極320之間的氧化物間隙中斷。中斷導電通道335b的橫向尺寸可以小於導電通道335a的橫向尺寸。在一些實施例中，中斷導電通道335b不連續的連接第一電極320和第二電極340。RRAM器件300a-c可以通過向RRAM器件施加適當的編程信號（例如，電壓信號、電流信號等）在高阻態和低阻態之間進行電切換。

在一種實施方式中，第二電極340可以包括一種或多種合金。每種合金可以包括兩種或多種金屬元素。每種合金可以包括二元合金（例如，包含兩種金屬元素的合金）、三元合金（如，包含三種金屬元素的合金）、四元合金（例，包含四種金屬元素的合金）、五元合金（例如，包含五種金屬元素的合金）、和/或高階合金（例如含有六種以上金屬元素的合金）。在一些實施例中，所述第二電極340可以包括一種或多種合金，該合金包含第一金屬元素和一種或多種第二金屬元素。每種第二金屬元素對所述切換氧化物層中的過渡性金屬氧化物的反應性小於或大於第一金屬元素。在一些實施例中，第一金屬元素可以是Ta。第二金屬元素可以包括鎢（W）、鉿（Hf）、鉬（Mo）、鈮（Nb）、鋯（Zr）等中的一種或多種。在一些實施例中，第二電極340中合金的第一金屬元素與第二金屬元素的比率可以是50原子百分率。在一些實施例中，合金中第一金屬元素與第二金屬元素的合適比例可以從整個組成範圍內進行優化。在形成過程中，所述第二金屬元素可以在切換氧化物層中產生比第一金屬元素更少的氧空位。因此，在包括含有合金的第二電極的RRAM器件中形成的導電絲的橫向尺寸可以小於在包括僅由第一金屬製成的第二電極的RRAM器件中形成的導電絲的橫向尺寸。

在一種實施方案中，第二電極340可以包括不同金屬材料的多個層。例如，第二電極340可以包括鈦（Ti）層和鉭（Ta）層。所述Ti層可以比Ta層薄得多。例如，Ti層的厚度可以在大約0.2nm到5nm之間。Ta層的厚度可以大約是50nm。在一些實施例中，所述Ti層的厚度可以在0.3nm到2nm之間。Ti和Ta都可以在器件操作期間捕獲和釋放氧。在RRAM器件中加入薄Ti層可以改變RRAM器件的原始電阻，導致一個不突兀的形成過程，降低形成電壓，降低複位電流，並且降低後續操作中的電壓和/或電流要求。

圖4顯示了根據本發明的另一實施方案中化合物非反應性電極400示例的截面圖。

如圖所示，非反應性電極400可以包括金屬氮化物層410和金屬層420。金屬層420可以製造在金屬氮化物層410上。金屬氮化物層410可以包括一種或多種金屬氮化物的一個或多個層。所述金屬氮化物的示例可以包括TiN、TaN等。金屬層420可包括一種或多種貴金屬（例如Pt、Pb、Ru等）。在一些實施例中，金屬層420可以比金屬氮化物層410薄。在一些實施例中，金屬氮化物層410的厚度可以在約20nm至約25nm之間。在一些實施例中，所述金屬氮化物層410的厚度可以在約20nm至約50nm之間。在一些實施例中，所述金屬氮化物層410的厚度可以在約20nm至約30nm之間。所述金屬層420的厚度可以在約3nm至約10nm之間。在一些實施例中，金屬層420可以比2-3nm厚，且可以包括覆蓋金屬氮化物層410的貴金屬連續膜。

圖5示出了根據本發明的一種實施例中包括化合物非反應性電極的示例RRAM器件500的截面圖。

RRAM器件500可以包括黏合層510、第一電極520、切換氧化物層530、界面層A（ILA）550和第二電極540。第一電極520、切換氧化物層530和第二電極540可以分別與結合圖3A所述的第一電極320、切換氧化物層330和第二電極340相同。如圖所示，第一電極520可包括結合圖4所述的金屬氮化物層410和金屬層420。在一些實施例中，黏合層510可以被視為第一電極520的一部分。

黏合層510可以包括一種或多種合適的金屬材料，其可以增強襯底和RRAM器件500組件之間的黏附性。在一些實施例中，黏合層510可以包括Ti、Ta等的一個或多個層。

ILA 550（也被稱為“第一界面層” ）可以包括第一材料，所述第一材料相比切換氧化物層中的過渡性金屬氧化物更具有化學穩定性。所述第一材料可以包括，例如，Al ₂O ₃、MgO、Y ₂O ₃、La ₂O ₃等。ILA 550可以包括第一材料的非連續膜和/或第一材料的連續膜。在一些實施例中，ILA 550的厚度可以在約0.2nm至約0.5nm之間。在一些實施例中，ILA 550可以包括厚度等於或小於0.5nm的Al ₂O ₃膜。在一些實施例中，ILA 550可以是和/或包括厚度小於1nm的Al ₂O ₃膜。在ILA 550包括氧化鋁的情況下，RRAM器件可以是高電阻和耐退火的RRAM器件。

圖6示出了根據本發明的進一步實施方式中包含化合物非反應性電極的示例RRAM器件600的截面圖。

RRAM器件600可以包括黏合層610、第一電極620、界面層B（ILB）660、切換氧化物層630、界面層A（ILA）650和第二電極640。第一電極620、切換氧化物層630和第二電極640可以分別與結合圖3A所述的第一電極320、切換氧化物層330和第二電極340相同。黏合層610可以與圖5中的黏合層510相同。ILA 650可以與圖5中的ILA 550相同。在一些實施例中，RRAM器件600可以進一步包括如結合圖3A所描述的襯底（未顯示）。

ILB 660 可以包括第二材料，所述第二材料相比切換氧化物層630中的過渡性金屬氧化物更具有化學穩定性。所述第二材料可以包括，例如Al ₂O ₃、MgO、Y ₂O ₃、La ₂O ₃等。ILB 660可以包括第二材料的非連續膜和/或第二材料的連續膜。在一些實施例中，ILB 660的厚度可以在約0.2nm至約0.5nm之間。在一些實施例中，ILB 660可包括厚度等於或小於0.5nm的Al ₂O ₃膜。在一些實施例中，ILB 660可以是和/或包括厚度小於1nm的Al2O3 膜。在具有第一界面層和第二界面層下，RRAM器件可以是高電阻和耐退火的RRAM器件。

在一些實施例中，ILA 650可以從RRAM器件600中省略。例如，如圖7所示，RRAM器件700可以包括結合圖6所描述的黏合層610、第一電極620、界面層B（ILB）660、切換氧化物層630和第二電極640。

圖8A、8B、8C、8D、8E和8F是示出了根據本發明一些實施例中製造RRAM器件中的非反應性電極的結構截面圖的示意圖。

如圖8A所示，可以提供襯底810。襯底810可以包括可用於製造RRAM器件的襯底的任何合適材料的一個或多個層，例如矽（Si）、二氧化矽（SiO ₂）、氮化矽（Si ₃N ₄）、氧化鋁（Al ₂O ₃）、氮化鋁（AlN）等。在一些實施例中，襯底810可以包括二極管、晶體管、互連、集成電路等。襯底810可以包括驅動電路，該驅動電路可以單獨控制一個或多個電路（例如，電路陣列）。在一些實施例中，驅動電路可以包括一個或多個互補金屬氧化物半導體（CMOS）驅動器。在一些實施例中，襯底810可以包括一個或多個介電層、互連層、晶體管和/或用於製造交叉電路的任何其它合適的組件（未顯示）。每個互連層可以包括一個或多個金屬焊盤和/或金屬通孔，且可以提供製造於襯底810上的器件之間的電連接。

如圖8A所示，襯底810可以包括一個或多個金屬互連（例如，金屬焊盤和/或金屬通孔）的互連層。例如，第一互連層可以包括金屬互連811a和811b（也被稱為“第一金屬互連”和“第二金屬互連” ）。在一些實施例中，金屬互連811a和811b可以是包含鎢（W）、Al、Cu和任何其它合適金屬的金屬焊盤。在一些實施例中，金屬互連811a和811b可以是包含鋁（Al）、銅（Cu）、鎢（W）等的金屬通孔。金屬互連811a和811b中的每一個都可以連接到其它組件（未顯示），例如晶體管、二極管等。在一些實施例中，金屬互連811a-b可以包括鎢（W）孔和摻雜多晶矽（poly-Si）端子，其中多晶矽端子可以連接晶體管或二極管端子（未示出）。

如圖8B所示，黏合層821可以製造於金屬互連811a和811b以及襯底810上。黏合層821可以包括Ta層、Ti層和/或可以加強襯底810和在襯底810上製造的RRAM器件中其它組件的黏附性的任何合適材料的層。

如圖8C所示，金屬氮化物層823可以製造於黏合層821上。金屬氮化物層823可以包括一種或多種金屬氮化物的一個或多個層，所述一種或多種金屬氮化物對在襯底810上製造的RRAM器件中切換氧化物是電子導電的和不反應的。金屬氮化物可以包括例如TiN、TaN等。

如圖8D所示，金屬層825可以製造於金屬氮化物層823上。金屬層825可以包括一種或多種合適金屬（也被稱為“非反應性金屬”）的一個或多個層，一種或多種合適金屬對於在襯底810上製造的RRAM器件中切換氧化物是電子導電的和非反應的。所述非反應性金屬的示例可以包括Pt、Pd、Ir、Ru等。

黏合層821、金屬氮化物層823和金屬層825中的一個或多個部分可以選擇性地去除以製造一個或多個底電極。例如，如圖8E所示，通過圖形化和蝕刻黏合層821、金屬氮化物層823和金屬層825，第一底電極820a和第二底電極820b可以分別製造於金屬互連811a和金屬互連811b上。第一底電極820a可以包括第一黏合層821a、第一金屬氮化物層823a和第一金屬層825a。第二底部電極820b可以包括第二黏合層821b、第二金屬氮化物層823b和第二金屬層825b。第一黏合層821a和821b可以對應於蝕刻的黏合層821。第一金屬氮化物層823a和第二金屬氮化物層823b可以對應於蝕刻的金屬氮化物層822。第一金屬層825a和第二金屬層825b可以對應於蝕刻的金屬層825。在一些實施例中，底電極820a-b的橫向尺寸可以大於金屬互連811a-b的橫向尺寸。第一底電極820a可以直接接觸金屬互連811a以形成歐姆接觸。第二底電極820b可以直接接觸金屬互連811b以形成歐姆接觸。第一底電極820a和第二底電極820b可以進一步接觸所述襯底810的一個或多個部分，例如襯底810的表面801（例如，襯底810的頂表面）的一個或多個部分。

如圖8F所示，RRAM堆疊830a和RRAM堆疊830b可以分別製造於第一底電極820a和第二底電極820b上。RRAM堆疊830a和830b中的每一個可以包括如上結合圖3A-7所描述切換氧化物層、頂電極和一個或多個界面層。在一些實施例中，可以使用美國專利申請號為17/654,476和17/936,830中所描述的技術來製造RRAM堆疊830a和830b，這些專利申請通過引用結合在本文中。

圖9A示出了根據本發明一些實施例中包括化合物非反應性電極的示例RRAM器件的I-V（電流-電壓）特性的特性曲線圖900A。圖9B示出了顯示RRAM器件的模擬行為的I-V曲線的特性曲線圖900B。圖9C示出了示例RRAM器件隨時間變化的器件讀取電流特性的特性曲線圖900C。

如圖9A所示，RRAM器件為多次開關（例如，開關1、開關2和開關3）提供了可重複性的和期望的設置-複位操作，證明了多個開關行為的穩定性。如圖9B所示，RRAM器件表現出期望的模擬行為。也就是說，可以通過控制電流順應性將器件電阻調節至多級（或模擬行為），且在每個電阻狀態下電流與電壓成線性比例（或線性行為）。如圖9C所示，特性曲線圖900C可以表示RRAM器件隨時間保持電阻水平的能力的器件保持測試的結果，以及當RRAM器件因其隨時間變化保持電阻水平的能力而處於恆定讀取（具有0.2V的讀取電壓）時的讀取穩定性測試的結果。如圖9C所示，RRAM器件表現出隨時間變化的期望的器件讀取穩定性。

圖10示出了根據本發明的一些實施例中製造RRAM器件（例如圖5、圖6和圖7中所示RRAM器件500、600和700）的製造方法示例1000的流程圖。

在1010中，第一電極可以製造於襯底上。製造所述第一電極可以包括沉積一層或多層金屬氮化物，例如TiN或TaN。例如，製造第一電極可以包括利用原子層沉積（ALD）技術、物理氣相沉積（PVD）技術、Ti反應濺射技術和/或任何其它合適的沉積技術沉積一層或多層TiN。製造第一電極可以進一步包括在所述金屬氮化物上沉積一種或多種非反應性金屬。所述第一電極可以是和/或包括如上結合圖4所描述的化合物非反應性電極。在一些實施例中，製造所述第一底電極可以涉及執行如下圖11所描述的一個或多個操作。

在1020中，界面層B（ILB）可以製造在第一電極上。所述ILB可以包括比隨後描述的切換氧化物層中過渡性金屬氧化物（例如，AlO _x, 像 Al ₂O ₃）更具有化學穩定性的材料。例如，製造界面層B可以包括利用原子層沉積（ALD）技術、物理氣相沉積（PVD）技術、Al反應濺射技術和/或任何其它合適的沉積技術來沉積AlO _x。界面層B可以是和/或包括如上結合圖6所描述的ILB 660。在一些實施例中，步驟1020可以從製造方法示例1000中省略。

在1030中，包括一種或多種過渡性金屬氧化物的所述切換氧化物層可以製造於所述界面層B上。過渡性金屬氧化物可以包括例如HfOx。例如，製造切換氧化物層可以包括利用原子層沉積（ALD）技術、物理氣相沉積（PVD）技術、Hf的反應濺射技術和/或任何其它合適的沉積技術來沉積HfOx。切換氧化物層可以是和/或包括如上結合圖6所述的切換氧化物層630。

在1040中，界面層A（ILA）可以製造於所述切換氧化物層上。所述ILA可以包括比切換氧化物層中的過渡性金屬氧化物更具有化學穩定性的金屬，例如AlO _x、像Al ₂O ₃。例如，製造所述界面層A可包括使用原子層沉積（ALD）技術、物理氣相沉積（PVD）技術、Al反應濺射技術和/或任何其它合適的沉積技術來沉積AlO _x。所述界面層A可以是和/或包括如上結合圖6所描述的ILA 650。

在1050中，第二電極可以製造於所述界面層A上。製造第二電極可以涉及製造一種或多種金屬材料的一個或多個層，所述一種或多種金屬材料是電子導電的並且對切換氧化物是反應性的。例如，製造第二電極可以包括使用物理氣相沉積（PVD）技術和/或任何其它合適的沉積技術沉積一個或多個Ta層。第二電極可以是和/或包括如上結合圖6所述的第二電極640。

圖11示出了根據本發明的一些實施例製造非反應性電極的製造方法示例1100的流程圖，例如結合圖4和圖8A-8F所描述的非反應性電極。

在1110中，黏合層可以製造於襯底上。製造所述黏合層可以包括沉積金屬層，例如Ta、Ti等，該金屬層可以增強襯底與底電極和/或製造於襯底上的RRAM器件其他組件之間的黏附性。在一些實施例中，製造所述黏合層可能涉及沉積厚度在約2nm至5nm之間的Ti膜或Ta膜。可以使用合適的PVD技術和/或用於沉積金屬的任何其它合適的沉積技術來沉積黏合層。在一些實施例中，步驟1110可以從製造方法示例1100中省略。

在1120中，金屬氮化物層可以製造於所述黏合層上。製造所述金屬氮化物層可以涉及沉積對製造於底電極上的切換氧化物層中過渡性金屬氧化物不反應的金屬氮化物層。例如，製造金屬氮化物層可以包括使用ALD、PVD、反應濺射技術或任何其它合適的沉積技術沉積TiN、TaN等的層。

在1130中，金屬層可以製造於所述金屬氮化物層上。製造金屬層可以包括沉積本發明所述的一種或多種非反應性金屬。在一些實施例中，製造金屬層可包括利用PVD技術或任何其它合適的沉積技術在金屬氮化物層上沉積Pt、Pd、Ir、Ru等。在一些實施例中，製造金屬層可包括沉積厚度在約3nm和約10nm之間的Pt、Pd、Ir、Ru層。

在一些實施例中，在1140中，黏合層、金屬氮化物層和金屬層中的一個或多個部分可以選擇性地被移除以製造一個或多個底電極。例如黏合層、金屬氮化物層和金屬層可以被圖形化和蝕刻，以製造如結合圖8E所述的第一底部電極820a和第二底部電極820b。

為了說明的簡潔起見，本發明的方法作為一系列動作來描繪和描述。但是，根據本發明的動作能夠按照各種順序和/或同時地發生，並且與其它在本發明中未提出和描述的動作一起發生。此外，並不是所有說明的動作都可以被要求來實現根據所發明的主題的方法。另外，本領域的技術人員將理解並認識到，可以替代性地經由狀態圖或事件將方法表示為一系列相互狀態。

本文所使用的術語 “大約”、“關於 ”和 “基本上 ”可以指在本領域的正常公差範圍內，例如在平均值的2個標準差內，在一些實施例中在目標尺寸的±20%內，在一些實施例中在目標尺寸的±10%內，在一些實施例中在目標尺寸的±5%內，在一些實施例中在目標尺寸的±2%內，在一些實施例中在目標尺寸的±1%內，以及在一些實施例中在目標尺寸的±0.1%內。術語 “大約 ”和 “關於”可以包括目標尺寸。除非特別說明或從上下文中明顯看出，本文描述的所有數值都由術語 “約”進行修飾。

如本文所用，一個範圍包括該範圍內的所有數值。例如，1至10的範圍可以包括任意數字、數字組合、來自1、2、3、4、5、6、7、8、9和10的數字的子範圍以及其分數。

本發明在上述說明中提到了很多細節。但顯而易見的是，沒有這些具體細節本發明也可以實施。在一些例子中，為了突出本發明的內容，熟知的結構和設備以框圖的形式顯示，而非具體細節。

本文所使用的術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用於區分不同部件的標記，可以不必具有所用數字編號的序數含義。

這裡使用的“例子”或“示範性”一詞是指作為例子、實例或說明。此處描述為 “示例”或 “示範”的任何方面或設計不一定被理解為比其它方面或設計更優選或有利。相反，使用“例子”或“示範性”這些詞的目的是為了以一種具體的方式呈現概念。在本申請中，術語“或”的意思是包括“或”，而不是排除“或”。也就是說，除非另有規定，或從上下文中可以看出，“X包括A或B ”意指任何自然的包容性排列組合。也就是說，如果X包括A；X包括B；或者X同時包括A和B，那麼在上述任何情況下，“X包括A或B ”都被滿足。此外，在本申請和所附申請專利範圍中使用的 “a ”和 “an”通常應被理解為 “一個或多個”，除非另有規定或從上下文中明確指出是針對單數形式。本說明書中提到的 “一個實施方案 ”或 “一個實施方案”是指與該實施方案有關的特定特徵、結構或特性至少包括在一個實施方案中。因此，在本說明書的不同地方出現的短語 “一個實施方案 ”或 “一種實施方案 ”不一定都是指同一個實施方案。

如本文所使用的，當一個元素或層被稱為“在”另一個元素或層上時，該元素或層可以直接在另一個元素或層上，或者可以存在介入的元素或層。反之，當一個元素或層被稱為“直接在”另一個元素或層上時，不存在中間的元素或層。

儘管在瞭解上述描述後，對於本發明內容做出另外的變更和修改對於本領域普通技術人員無疑是顯而易見的，但應理解的是，以說明方式所顯示和描述的任何具體實施例不應被視為是限制的。因此，各種實施例的細節並不是為了限制申請專利範圍，申請專利範圍本身只是敘述了發明技術特徵。

100:交叉開關電路 111a、111b、111i、111n:行線 113a、113b、113j、113m:列線 120a、120b、120ij、120z:交叉點器件 200:交叉點器件 201:RRAM器件 203:晶體管 211:位線 213:選線 215:字線 G:柵極 S:源極 D:漏極 300a、300b、330c:RRAM器件 310:襯底 320:第一電極 330:切換氧化物層 340:第二電極 335a:導電通道 335b:中斷導電通道 400:非反應性電極 410:金屬氮化物層 420:金屬層 500:RRAM器件 510:黏合層 520:第一電極 530:切換氧化物層 540:第二電極 550:界面層A（ILA） 600:RRAM器件 610:黏合層 620:第一電極 630:切換氧化物層 640:第二電極 650:界面層A（ILA） 660:界面層B（ILB） 700:RRAM器件 801:表面 810:襯底 811a、811b:金屬互連 820a:第一底電極 820b:第二底電極 821:黏合層 823:金屬氮化物層 823a:第一金屬氮化物層 823b:第二金屬氮化物層 825:金屬層 825a:第一金屬層 825b:第二金屬層 821a:第一黏合層 821b:第二黏合層 830a、830b:RRAM堆疊 900A:特性曲線圖 900B:特性曲線圖 900C:特性曲線圖 1000:製造方法示例 1010、1020、1030、1040、1050:步驟 1100:製造方法示例 1110、1120、1130、1140:步驟

從下述給出的詳細描述及本發明的各種實施例的附圖，將更充分地理解本發明。然而，附圖不應被用於將本發明限制在特定實施例中，而是僅用於解釋和理解。圖1是示出了根據本發明一些實施例中交叉開關電路示例的示意圖。圖2是示出了根據本發明一些實施例中交叉點器件示例的示意圖。圖3A示出了根據本發明一些實施例的示例RRAM器件的截面圖。圖3B和圖3C分別示出了圖3A中RRAM器件處於低阻態和高阻態下的截面圖。圖4示出了根據本發明另一個實施方案中化合物非反應性電極的示例400的截面圖。圖5、圖6和圖7示出了根據本發明一些實施例中的示例RRAM器件的截面圖。圖8A、圖8B、圖8C、圖8D、圖8E和圖8F是根據本發明一些實施例中的用於製造RRAM器件的非反應性電極的結構截面圖的示意圖。圖9A顯示了根據本發明一些實施例的RRAM器件的I-V （電流-電壓）特性；圖9B是顯示了根據本發明一些實施例中的RRAM器件的模擬行為的I-V曲線；圖9C是示出了根據本發明一些實施例中的示例RRAM器件隨時間的器件讀取電流特性的圖。圖10是示出了根據本發明一些實施例中的用於製造RRAM器件的示例方法的流程圖。圖11是示出了根據本發明一些實施例中的用於製造非反應性電極的方法示例的流程圖。

810:襯底

811a、811b:金屬互連

820a:第一底電極

820b:第二底電極

823a:第一金屬氮化物層

823b:第二金屬氮化物層

825a:第一金屬層

825b:第二金屬層

821a:第一黏合層

821b:第二黏合層

830a、830b:RRAM堆疊

Claims

一種電阻式隨機存取存儲(RRAM)器件，包括：第一電極，所述第一電極包括：金屬氮化物層和金屬層，所述金屬氮化物層包括至少一種金屬氮化物，所述金屬層製造於所述金屬氮化層之上；第二電極，所述第二電極包括導電材料；及切換氧化物層，所述切換氧化物層位於所述第一電極和所述第二電極之間，所述切換氧化物層包括至少一種過渡性金屬氧化物；其中所述金屬層包括不與所述至少一種過渡性金屬氧化物發生反應的金屬；所述金屬氮化物層及所述金屬層具有相同之寬度。
如請求項1所述的RRAM器件，其中，所述金屬氮化物包括氮化鈦或氮化鉭中的至少一種。
如請求項1所述的RRAM器件，其中，所述不與所述至少一種過渡性金屬氧化物發生反應的金屬包括鉑、鈀、銥或釕中的至少一種。
如請求項3所述的RRAM器件，其中，所述金屬層比所述金屬氮化物層薄。
如請求項4所述的RRAM器件，其中，所述金屬層的厚度在3nm至10nm之間。
如請求項5所述的RRAM器件，其中，所述金屬氮化物層的厚度在20nm至50nm之間。
如請求項1所述的RRAM器件，其中，所述至少一種過渡性金屬氧化物包括HfOx或TaOy中的至少一種，其中x
2.0且y
2.5。
如請求項1所述的RRAM器件，其中，所述第二電極中的導電材料包括鉭。
如請求項1所述的RRAM器件，進一步包括：位於所述切換氧化物層和所述第二電極之間的界面層，其中所述界面層包括氧化鋁。
如請求項1所述的RRAM器件，進一步包括：黏合層，所述黏合層包括鈦或鉭中的至少一種，其中所述金屬氮化物層製造於所述黏合層上。
一種製造電阻式隨機存取存儲(RRAM)器件的方法，包括：製造第一電極，包括：製造金屬氮化物層，其中所述金屬氮化物層包括至少一種金屬氮化物；在金屬氮化物層之上製造金屬層；在所述第一電極上製造切換氧化物層，其中所述切換氧化物層包括至少一種過渡性金屬氧化物，其中所述金屬層包括不與所述至少一種過渡性金屬氧化物發生反應的金屬；及在所述切換氧化物層上製造第二電極，所述第二電極包括導電材料；所述金屬氮化物層及所述金屬層具有相同之寬度。
如請求項11所述的方法，其中所述金屬氮化物包括氮化鈦或氮化鉭中的至少一種。
如請求項12所述的方法，其中，所述不與所述至少一種過渡性金屬氧化物發生反應的金屬包括鉑、鈀、銥或釕中的至少一種。
如請求項13所述的方法，其中所述金屬層比所述金屬氮化物層薄。
如請求項14所述的方法，其中，所述金屬層的厚度在3nm至10nm之間。
如請求項15所述的方法，其中，所述金屬氮化物層的厚度在20nm至50nm之間。
如請求項11所述的方法，其中，所述至少一種過渡性金屬氧化物包括HfOx或TaOy中的至少一種，其中x
2.0且y
2.5。
如請求項11所述的方法，進一步包括：在所述切換氧化物層上製造界面層，其中所述界面層位於所述切換氧化物層和所述第二電極之間，且所述界面層包括氧化鋁。
如請求項11所述的方法，進一步包括製造包含鈦或鉭中的至少一種的黏合層，其中所述金屬氮化物層製造於所述黏合層上。
一種製造非反應性電極的方法，包括：製造黏合層，所述黏合層包括鈦或鉭中的至少一種；在所述黏合層上製造金屬氮化物層，其中所述金屬氮化物層包括至少一種金屬氮化物，所述至少一種金屬氮化物包括氮化鈦或氮化鉭中的至少一種；及在所述金屬氮化物層上製造金屬層，所述金屬層包括一種貴金屬；及選擇性地去除所述黏合層、所述金屬氮化物層和所述金屬層中的一個或多個部分以製造所述非反應性電極；所述金屬氮化物層及所述金屬層具有相同之寬度。