存儲器元件的形成方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及有關于存儲器元件的形成方法，特別涉及有關于電阻式存儲器元件的形成方法。
【背景技術】
[0002]近年來，各種消費性電子產品逐漸流行，促使非易失性存儲器需求量大增。非易失性存儲器以閃存(Flash Memory)為主流。然而，隨著元件尺寸持續(xù)縮小，閃存已遭遇操作電壓大、操作速度慢、數(shù)據保存性差等缺點，限制閃存未來的發(fā)展。
[0003]因此，目前已有許多新式非易失性存儲器材料和裝置正在被積極研發(fā)。新式非易失性存儲器裝置包括磁隨機存儲器(MRAM)、相變化存儲器(PCM)、和電阻式隨機存儲器(RRAM)。其中，電阻式非易失性存儲器具有功率消耗低、操作電壓低、寫入擦除時間短、經久耐用、記憶時間長、非破壞性讀取、多狀態(tài)記憶、制作簡單及體積小等優(yōu)點。
[0004]然而，電阻式非易失性存儲器的合格率與效率仍需進一步提高。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明解決的技術問題在于:提供一種存儲器元件的形成方法，以解決現(xiàn)有技術中電阻式非易失性存儲器的合格率與效率低下的問題。
[0006]本發(fā)明提供一種存儲器元件的形成方法，包括:在一第一電極上形成一電阻轉換層；在該電阻轉換層上形成一第二電極；對該電阻轉換層提供一形成電壓使該電阻轉換層的電阻變??；在提供該形成電壓之后，對該電阻轉換層提供一初始重置電壓使該電阻轉換層的電阻變大；在提供該初始重置電壓之后，對該電阻轉換層提供一第一設定電壓，使該電阻轉換層的電阻變??；在提供該第一設定電壓之后，對該電阻轉換層提供一第二重置電壓，使該電阻轉換層的電阻變大；以及在提供該第二重置電壓之后，對該電阻轉換層提供一第二設定電壓，使該電阻轉換層的電阻變小，其中，該第二設定電壓小于該第一設定電壓。
[0007]本發(fā)明所提供的存儲器元件的形成方法，在保證電阻式非易失性存儲器現(xiàn)有優(yōu)點的前提下，提高了電阻式非易失性存儲器的合格率與效率。此外，分次施加形成電壓有助于提升存儲器元件的效率，存儲器元件的設定電流更為穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0008]圖1A:顯示根據一些實施例的存儲器元件的剖面圖。
[0009]圖1B:顯示根據一些實施例的存儲器元件的剖面圖。
[0010]圖2A?2D:顯示根據一些實施例測量存儲器元件所得的電流-電壓關系圖。
[0011]圖3:顯示根據一些實施例的存儲器元件在烘烤前后的重置電流分布圖。
[0012]圖4:顯示根據一些實施例的存儲器元件的形成方法流程圖。
[0013]圖5:顯示根據一些實施例的存儲器元件在烘烤前后的重置電流分布圖。
[0014]圖6A:顯示根據一些實施例的存儲器元件在烘烤前及烘烤后的重置電流關系圖。
[0015]圖6B:顯示根據一些實施例的存儲器元件的重置電流衰退率分布圖。
[0016]符號說明:
[0017]100?存儲器元件；
[0018]102 ?電極；
[0019]104?電阻轉換層；
[0020]106 ?電極；
[0021]108 ?空缺；
[0022]109?導電細絲；
[0023]200 ?方法；
[0024]S202、S204、S206、S208、S210、S212、S214、S216、S218 ?步驟。
【具體實施方式】
[0025]以下將詳細說明本發(fā)明實施例的制作與使用方式。然而應當注意的是，本申請書提供許多可供應用的發(fā)明思路，其可以多種特定形式實施。文中所列舉的特定實施例僅為制造與使用本發(fā)明的特定方式，并不是用來限制本發(fā)明的保護范圍。此外，在實際應用中，第一制造工藝與第二制造工藝的進行，可包括在第一制造工藝之后立刻進行第二制造工藝的情形，也可包括在第一制造工藝與第二制造工藝之間附加其他制造工藝的情形。元件可能被任意地繪制成不同的尺寸比例。這僅僅是為了簡單、清楚地描繪各元件。此外，當涉及一第一材料層位于一第二材料層之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸或間隔有一種或多種其他材料層的情形。以下，描述了實施例的一些變化。在不同的圖式與實施例描述中，相似的附圖標記可用以標示相似的元件。
[0026]圖1A和圖1B顯示根據一些實施例的存儲器元件100在低電阻態(tài)(low resistancestatus)與高電阻態(tài)(high resistance status)時的剖面圖。在一些實施例中，存儲器元件100為電阻式隨機存取存儲器(resistive random access memory,RRAM)兀件。如圖1A所示，存儲器元件100包括電極102、電極106、以及位于電極之間的電阻轉換層104。
[0027]在一些實施例中，電阻轉換層104的材質為介電材料，且通常是電性絕緣的。然而，對電阻轉換層104施加足夠高的電壓后，使電阻轉換層的導電性增加。例如，通過形成方法(forming process),可在電阻轉換層104中形成一個或多個導電通路(可以為導電細絲，filament)。當導電通路朝電極延伸并連接電極102及電極106時，電阻轉換層104的電阻值大幅下降。接著，可施加反向電壓以部分破壞所形成的導電細絲或導電通路，使電阻轉換層104的電阻升高。
[0028]圖2A?2D顯示根據一些實施例測量存儲器元件所得的電流_電壓關系圖。在一些實施例中，進行形成方法以激活或啟動存儲器元件100。如圖2A及圖1A所示,可對電極102或電極106施加逐漸增加的偏壓(如圖2A的路徑I所示)。偏壓可使電阻轉換層中的負電離子(例如，氧離子或氮離子)趨向電極而在電阻轉換層104中留下一連串的空缺108。空缺108可以是氧空缺或氮空缺?？杖?08可隨著偏壓升高而逐漸增多。當偏壓提升至Vf時，這些空缺106串聯(lián)成連接電極102與電極106的導電細絲109而形成導電路徑。因此，流經電阻轉換層104的電流大幅提升，如圖2A所示?；蛘?，在其他實施例中，直接對電阻轉換層104施加形成電壓以形成一個或多個導電路徑。
[0029]如圖1B及圖2B所示，在一些實施例中，對電極106或電極102施加反向偏壓以初始重置(initial reset)電阻轉換層104，使其電阻回到高電阻態(tài)(如圖2B的路徑2所示)。例如，反向偏壓可使部分空缺108消失而破壞部分的導電細絲109。因此，電極間由空缺108形成的導電路徑消失。這是因為電流產生的熱量修復了電阻轉換層104中的缺陷。部分空缺108可能因而消失，使電阻轉換層104回到高電阻狀態(tài)。
[0030]之后，如圖2C的路徑3所示，在一些實施例中，對電極102或電極106施加逐漸增加的偏壓以對電阻轉換層104進行設定(set)。由于在先前的形成方法(如圖2A所示)，電阻轉換層104中已留下空缺108。這些空缺108在圖2B所示的初始重置之后，不會完全消除而仍部分保留。因此，在一些實施例中，以低于形成電壓的偏壓(即，設定電壓)便足以使電阻轉換層104的電阻狀態(tài)轉換為低電阻態(tài)。換言之，由于電阻轉換層104中已具有空缺108，使用較低的偏壓足以形成串聯(lián)電極的導電細絲。
[0031]之后，在一些實施例中，如圖2D的路徑4所示，再次進行重置(reset)以將電阻轉換層104的狀態(tài)轉變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)。在一些實施例中，進行多次重置以使電阻轉換層104的電性能穩(wěn)定。例如，可進行5次至10次的重置。
[0032]如上所述，電阻轉換層104的電阻值狀態(tài)可通過施加電壓而改變。因此，可將數(shù)據儲存在電阻轉換層之中。通過測量流經電阻轉換層104的電流，可得知電阻轉換層104的電阻值信息，從而獲得所需的儲存數(shù)據。
[0033]在一些實施例中，對存儲器元件100進行烘烤以測試存儲器元件100的可靠度(可稱之為記憶力測試，retent1n test)。例如，可將存儲器元件100置于約175°C的環(huán)境中烘烤約24小時。圖3顯示根據一些實施例的存儲器元件在烘烤前后的重置電流分布圖。通過測量同一硅晶片上的多個存儲器元件的重置電流(Ireset)，可得知這些存儲器元件的重置電流的分布情形。在圖3中，空心圓形點用于表示烘烤前的重置電流分布，而實心圓形點用于表示烘烤后的重置電流分布。
[0034]如圖3所示，在烘烤后，重置電流分布趨于變大。例如，有超過5%的存儲器元件在烘烤之后，重置電流會高于標準值，例如10 6A(安培)。高于標準值的重置電流不易與設定電流區(qū)別，可造成存儲器的存儲數(shù)據發(fā)生誤判。由于存儲器元件重置電流的不穩(wěn)定使存儲器元件的合格率下降。
[0035]為了解決上述問題，本發(fā)明的實施例提出一種存儲器元件的形成方法，可提高存儲器元件的合格率。
[0036]如圖1A所示，在一些實施例中，在基底(未顯示)之上形成電極102。基底可包括半導體基底或其他適合基底。在一些實施例中，基底為半導體晶片，例如硅晶片。在一些實施例中，電極102的材質包括金屬氮化物。在一些實施例中，電極102的材質包括氮化鈦(TiN)、鉬(Pt)、鋁銅(AlCu)、鈦(Ti)、金(Au)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、銅(Cu)、其他適合的導電材料、或它們的組合。在一些實施例中，可在基底上沉積導電材料以形成電極102。例如，可通過圖案化工藝將導電材料圖案化成所需的電極。在一些實施例中，導電材料可利用物理氣相沉積、電鍍、化學氣相沉積、旋轉涂布、或其他適合的工藝、以及它們的組合而形成。
[0037]接著，如圖1A所示，在一些實施例中，在電極102上形成電阻轉換層104。電阻轉換層104的材質可包括氧化物、氮化物、其他適合的介電材料、或它們的組合。例如，電阻轉換層104的材質包括氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化鉭、氧化鎢、氧化鋁、氧化鋅、氧化鎳、氧化銅、其他適合的材料、或他們的組合。在