半导体结构及其形成方法与流程

本发明涉及一种半导体结构及其形成方法。本发明特别涉及一种包括两个依序设置的存储元件的半导体结构及其形成方法。

背景技术

可变电阻式存储器(rram)是一种类型的非挥发性存储器，其提供简单的结构、小的存储单元尺寸、可扩缩性(scalability)、超高速操作、低功率操作、与互补金属氧化物半导体(cmos)的兼容性、及低成本等优点。rram可具有包括其中电阻能够通过施加电脉冲而在两个或更多个稳定的电阻范围之间改变的存储元件的特征。存储元件可加以选择和调整，以提供更佳的电性和其他性能表现。此外，以节省成本和简单的方式达成改善，可能更为有利。

技术实现要素：

本发明是导向以节省成本和简单的方式改善半导体结构，特别是改善半导体结构中的存储器，像是rram。

根据一些实施例，提供一种半导体结构，此种半导体结构包括一底电极、一第一存储元件、一第二存储元件、及一顶电极。第一存储元件设置在底电极上。第一存储元件包括一第一氧化物材料。第二存储元件设置在第一存储元件上。第二存储元件包括不同于第一氧化物材料的一第二氧化物材料。顶电极设置在第二存储元件上。顶电极包括一顶电极材料。第一氧化物材料和第二氧化物材料中的至少一者为顶电极材料的一氧化物。

根据一些实施例，提供一种半导体结构的形成方法。此种形成方法包括下列步骤。在一底电极上形成一第一存储元件。第一存储元件包括一第一氧化物材料。在第一存储元件上形成一第二存储元件。第二存储元件包括不同于第一氧化物材料的一第二氧化物材料。在第二存储元件上形成一顶电极。顶电极包括一顶电极材料。第一氧化物材料和第二氧化物材料中的至少一者为顶电极材料的一氧化物。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附附图详细说明如下：

附图说明

图1示出根据实施例的一例示性半导体结构。

图2示出根据实施例的另一例示性半导体结构。

图3绘示图1所示的例示性半导体结构的一导电状态。

图4绘示根据实施例的半导体结构的起始电阻分布的改善。

图5标出根据实施例的半导体结构的复位(reset)电阻分布的改善。

图6a～6d绘示根据实施例的一例示性半导体结构的形成方法。

【附图标记说明】

10、20：半导体结构

100：底电极

112：第一存储元件

113：层

114：第二存储元件

116：第三存储元件

120：顶电极

122、124：导电丝

c1～c4：曲线

d1～d4：分布范围

具体实施方式

以下将参照所附附图对于各种不同的实施例进行更详细的说明。要注意的是，附图中的元件可能并未依照比例绘制。为了利于理解，在可能的情况下，相同的元件符号系用于各图中共通的相同元件。可以预期的是，一实施例中的元件和特征，能够被有利地纳入于另一实施例中，然而并未对此作进一步的列举。

请参照图1，其示出根据实施例的一例示性半导体结构10。半导体结构10包括一底电极100、一第一存储元件112、一第二存储元件114、及一顶电极120。第一存储元件112设置在底电极100上。第一存储元件112包括一第一氧化物材料。第二存储元件114设置在第一存储元件112上。第二存储元件114包括不同于第一氧化物材料的一第二氧化物材料。顶电极120设置在第二存储元件114上。顶电极120包括一顶电极材料。第一氧化物材料和第二氧化物材料中的至少一者为顶电极材料的一氧化物。半导体结构10特别是可包括一可变电阻式存储器(rram)，该可变电阻式存储器包括底电极100、第一存储元件112、第二存储元件114、及顶电极120。在此，当叙述一元件包括一材料时，整个元件可由该材料形成。或者，该元件可为包括该材料的复合物。

根据实施例，第一氧化物材料和第二氧化物材料可分别独立地为氧化钨、氧化硅、氧化钛如tio2、氧氮化钛、氧化铝如al2o3、氧化镍、氧化铜、氧化锆如zro2、氧化铌如nbo2、氧化铪如hfo和hfo2、氧化钌、氧化铱如iro2、氧化钽如tao和tao2、或氧氮化钽。

在一些实施例中，用于形成第二存储元件114的第二氧化物材料为所述顶电极材料的氧化物，而用于形成第一存储元件112的第一氧化物材料则不是顶电极材料的氧化物。在这些实施例中，用于形成第一存储元件112的第一氧化物材料可为氧化钨或氧化硅。此外，底电极100可包括一底电极材料，且第一氧化物材料为底电极材料的一氧化物。举例来说，底电极100可为一导电插塞并由钨(底电极材料)形成，而第一存储元件112可由氧化钨(第一氧化物材料)形成。

在这些实施例中，顶电极材料可为钨(w)、钛(ti)、氮化钛(tin)、铝(al)、镍(ni)、铜(cu)、锆(zr)、铌(nb)、铪(hf)、钌(ru)、铱(ir)、钽(ta)、或氮化钽(tan)。第二氧化物材料可为氧化钨、氧化钛、氧氮化钛、氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化锆、氧化铌、氧化铪、氧化钌、氧化铱、氧化钽、或氧氮化钽。特别是，第二氧化物材料可为氧化钛或氧氮化钛。

在这些实施例中，第一存储元件112具有一第一厚度，第二存储元件114具有一第二厚度，且第一厚度可大于第二厚度。举例来说，第一厚度可小于例如约为第二厚度可小于例如约为这是因为，在根据实施例的一种半导体结构的形成方法中，像是在图6a～6d所绘示的案例中，由顶电极材料的氧化物所形成的存储元件，是通过氧化顶电极材料来形成，从而，其可具有较薄的厚度，以确保从顶电极材料完全转换成氧化物。

在其他一些实施例中，用于形成第一存储元件112的第一氧化物材料为所述顶电极材料的氧化物，而用于形成第二存储元件114的第二氧化物材料则不是顶电极材料的氧化物。举例来说，第一氧化物材料可为氧化钨、氧化钛、氧氮化钛、氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化锆、氧化铌、氧化铪、氧化钌、氧化铱、氧化钽、或氧氮化钽。特别是，第一氧化物材料可为氧化钛或氧氮化钛。第二氧化物材料可为氧化钨或氧化硅。此外，第一厚度可小于第二厚度。

在一些实施例中，半导体结构(及其rram)可包括两个或更多个由顶电极材料的氧化物所形成的存储元件。举例来说，如图2所示，半导体结构20更包括一第三存储元件116，第三存储元件116设置在第二存储元件114上，其中第二存储元件114和第三存储元件116可由顶电极材料的氧化物形成。

根据一些实施例，第一氧化物材料和第二氧化物材料可加以选择，使得第二存储元件114所需的一操作电流低于第一存储元件112所需的一操作电流。举例来说，第一氧化物材料可为氧化钨，第二氧化物材料可为氧氮化钛。如图3所示，在这样的案例中，当半导体结构在一导电状态，在由氧化钨形成的第一存储元件112中可形成较粗的一导电丝122，在由氧氮化钛形成的第二存储元件114中可形成较细的一导电丝124。虽然较导电丝124来得粗，氧化钨中的导电丝122更容易断裂，从而能够用于开关(switching)的控制。较细的导电丝124增加整个结构的电阻，从而能够用于电流的控制。从另一角度来看，较高的电阻对应较低的操作电流。由氧化钨形成的存储元件，例如这里叙述的第一存储元件112，可具有都在约为400μa的一设定(set)电流和一复位(reset)电流。由氧氮化钛形成的存储元件，例如这里叙述的第二存储元件114，可具有约为150μa的一复位电流。从而，设置这样的一第二存储元件114，能够提供对于操作电流的控制。此外，由于能够使用较低的一操作电流，可降低操作功率。

请参照图4，其绘示根据实施例的半导体结构的起始电阻分布的改善。起始电阻分布可用于评价rram装置的适用性。曲线c1例示一对照用的半导体结构的起始电阻分布，该对照用的半导体结构只具有由氧化钨或氧化硅所形成的一存储元件。曲线c2例示根据实施例的半导体结构的起始电阻分布，该根据实施例的半导体结构具有由氧化钨或氧化硅所形成的一第一存储元件、及由氧化钛或氧氮化钛的一第二存储元件。与对照用的半导体结构相比，根据实施例的半导体结构能够具有较高的一起始电阻(rini)。此外，如分布范围d1和d2所指示，根据实施例的半导体结构能够具有较紧密的一起始电阻分布。

图5标出根据实施例的半导体结构的复位电阻分布的改善。曲线c3例示一对照用的半导体结构的复位电阻分布，该对照用的半导体结构只具有由氧化钨或氧化硅所形成的一存储元件。曲线c4例示根据实施例的半导体结构的复位电阻分布，该根据实施例的半导体结构具有由氧化钨或氧化硅所形成的一第一存储元件、及由氧化钛或氧氮化钛的一第二存储元件。与对照用的半导体结构相比，根据实施例的半导体结构能够具有较高的一复位电阻。由于复位电阻提高，根据实施例的半导体结构能够具有较大的一感测区间(sensingwindow)。此外，如分布范围d3和d4所指示，根据实施例的半导体结构能够具有较紧密的一复位电阻分布。

只具有由氧化钨或氧化硅所形成的一存储元件的半导体结构，可能经验到对其开关特性的巨大冲击。具有由不同材料形成的额外存储元件的根据实施例的半导体结构，将不会经验到这样的冲击。同时，能够控制整个结构的开关。在一些实施例中，例如是在使用氧化钛或氧氮化钛形成额外存储元件的案例中，能够使用较低的一操作功率。此外，如前面的段落所述，电阻水平和分布(均匀性)能够加以改善。从而，能够提供更佳的电性性能表现。

叙述内容现在导向根据实施例的半导体结构的形成方法。请参照图6a～6d，其绘示一例示性形成方法。图6a～6d被绘示成用以形成如图1所示的一半导体结构10，其中第一氧化物材料和第二氧化物材料中的至少一者为顶电极材料的一氧化物。在此，为了易于描述，第二存储元件114由顶电极材料的该氧化物形成，而第一存储元件112不是由顶电极材料的氧化物形成。

如图6a所示，在一底电极100上形成一第一存储元件112。在一些实施例中，底电极100为一导电插塞。举例来说，用于将包括第一存储元件112的rram耦接到对应的一存取装置的一导电插塞，例如一钨插塞，可用作为底电极100。第一存储元件112包括一第一氧化物材料。第一氧化物材料可为但不限于是氧化钨或氧化硅。根据一些实施例，第一氧化物材料可被沉积到底电极100上，例如是通过一化学气相沉积(cvd)工艺、一物理气相沉积(pvd)工艺、或一高密度等离子体(hdp)沉积工艺。根据其他一些实施例，可通过氧化底电极100的一底电极材料(例如钨)，在底电极100上形成第一氧化物材料(例如氧化钨)。

接着，在第一存储元件112上形成一第二存储元件114。第二存储元件114包括不同于第一氧化物材料的一第二氧化物材料。如图6b所示，首先，在第一存储元件112上形成一顶电极材料，例如是顶电极材料的一层113，例如是通过一沉积工艺。顶电极材料可为但不限于是钨、钛、氮化钛、铝、镍、铜、锆、铌、铪、钌、铱、钽、或氮化钽。特别是，顶电极材料可为钛或氮化钛。接着，如图6c所示，通过一氧化工艺，将顶电极材料转换成第二氧化物材料。如此一来，便形成第二存储元件114。氧化工艺可为一等离子体氧化工艺，特别是一后等离子体氧化工艺。由此形成的第二氧化物材料可为氧化钨、氧化钛、氧氮化钛、氧化铝、氧化镍、氧化铜、氧化锆、氧化铌、氧化铪、氧化钌、氧化铱、氧化钽、或氧氮化钽。特别是，第二氧化物材料可为氧化钛或氧氮化钛。在这样的案例中，第二存储元件114所需的一操作电流可低于第一存储元件112所需的一操作电流。在一些实施例中，第一存储元件112具有一第一厚度，第二存储元件114具有一第二厚度，且第一厚度大于第二厚度。

在一些实施例中，能够形成多于一个通过这样的氧化工艺所形成的存储元件。这可能有利于补偿和调整电阻特性。

如图6d所示，在第二存储元件114上形成一顶电极120。顶电极120包括所述顶电极材料。如此一来，便可在半导体结构10中提供rram。这里叙述的形成方法，与典型的工艺兼容。从而，根据实施例的半导体结构(及其rram)，能够以节省成本和简单的方式加以改善。

虽然上述的实施例特别是导向rram，在此叙述的概念能够应用到其他希望其中的氧化物质量、电阻性能表现、或和本发明相关的其他方面有所改善的装置或结构。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。