电阻式随机存取存储器转让专利
申请号 : CN201410099409.3
文献号 : CN104835909B
文献日 : 2017-05-17
发明人 : 陈菁华 , 林展庆
申请人 : 力晶科技股份有限公司
摘要 :
本发明公开一种电阻式随机存取存储器，包括第一电极、介电层、至少一第一纳米结构及第二电极。介电层设置于第一电极上。第一纳米结构设置于第一电极与介电层之间，且第一纳米结构包括多个第一群聚型金属纳米粒子及多个第一包覆型金属纳米粒子。第一群聚型金属纳米粒子设置于第一电极上。第一包覆型金属纳米粒子包覆第一群聚型金属纳米粒子，其中第一群聚型金属纳米粒子的扩散系数大于第一包覆型金属纳米粒子的扩散系数。第二电极设置于介电层上。
权利要求 :
1.一种电阻式随机存取存储器，包括：
第一电极；
介电层，设置于该第一电极上；
至少一第一纳米结构，设置于该第一电极与该介电层之间，且该第一纳米结构包括：多个第一群聚型金属纳米粒子，设置于该第一电极上，该些第一群聚型金属纳米粒子具有可氧化性；以及多个第一包覆型金属纳米粒子，包覆该些第一群聚型金属纳米粒子，其中该些第一群聚型金属纳米粒子的扩散系数大于该些第一包覆型金属纳米粒子的扩散系数；以及第二电极，设置于该介电层上。
2.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中该第一电极的材料包括过渡金属或其氮化物。
3.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中该第一电极比该第二电极容易氧化。
4.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中该介电层的材料包括高介电常数材料。
5.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第一群聚型金属纳米粒子与该第一电极具有相同的金属元素。
6.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第一群聚型金属纳米粒子的材料与该些第一包覆型金属纳米粒子的材料分别包括过渡金属。
7.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第一包覆型金属纳米粒子的电位高于该些第一群聚型金属纳米粒子的电位。
8.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第一包覆型金属纳米粒子的扩散系数大于该介电层的材料的扩散系数。
9.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第一包覆型金属纳米粒子的材料包括一种或两种以上金属。
10.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中该第二电极的材料包括过渡金属或其氮化物。
11.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中还包括第一放热电极，且该第一电极设置于该第一放热电极上。
12.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，还包括至少一第二纳米结构，设置于该第二电极与该介电层之间，且该第二纳米结构包括：多个第二群聚型金属纳米粒子，设置于该第二电极上，该些第二群聚型金属纳米粒子具有可氧化性；以及多个第二包覆型金属纳米粒子，包覆该些第二群聚型金属纳米粒子，其中该些第二群聚型金属纳米粒子的扩散系数大于该些第二包覆型金属纳米粒子的扩散系数。
13.如权利要求12所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第二群聚型金属纳米粒子与该第二电极具有相同的金属元素。
14.如权利要求12所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第二群聚型金属纳米粒子的材料与该些第二包覆型金属纳米粒子的材料分别包括过渡金属。
15.如权利要求12所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第二包覆型金属纳米粒子的电位高于该些第二群聚型金属纳米粒子的电位。
16.如权利要求12所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第二包覆型金属纳米粒子的扩散系数大于该介电层的材料的扩散系数。
17.如权利要求12所述的电阻式随机存取存储器，其中该些第二包覆型金属纳米粒子的材料包括一种或两种以上金属。
18.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中还包括第二放热电极，设置于该第二电极上。
说明书 :
电阻式随机存取存储器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种存储器，特别是涉及一种电阻式随机存取存储器。
背景技术
[0002] 随着各种电子产品的蓬勃发展及功能需求的提高，使得当前全球存储器市场需求急速扩张，其中又以非挥发性存储器(Non-Volatile Memory,NVM)的快速成长最引人注目。为了应对此产业变化，全球各大厂与研究机构对于下一个世代存储器技术开发均早已如火如荼般地展开。在各种可能的技术中，电阻式随机存取存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM)具有结构简单、写入操作电压低、可高速操作以及非挥发性等特性，因此电阻式随机存取存储器具有与其它非挥发性存储器竞争的潜力。
[0003] 然而，当电阻式随机存取存储器的电极的可供进行氧化还原的部分完全被氧化时，电阻式随机存取存储器将无法继续使用。因此，如何提高电阻式随机存取存储器的耐用性为目前业界积极研究开发的目标之一。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种电阻式随机存取存储器，其具有较佳的耐用性(endurance)。
[0005] 为了达上述目的，本发明提出一种电阻式随机存取存储器，包括第一电极、介电层、至少一第一纳米结构及第二电极。介电层设置于第一电极上。第一纳米结构设置于第一电极与介电层之间，且第一纳米结构包括多个第一群聚型金属纳米粒子及多个第一包覆型金属纳米粒子。第一群聚型金属纳米粒子设置于第一电极上。第一包覆型金属纳米粒子包覆第一群聚型金属纳米粒子，其中第一群聚型金属纳米粒子的扩散系数大于第一包覆型金属纳米粒子的扩散系数。第二电极设置于介电层上。
[0006] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第一电极的材料例如是过渡金属或其氮化物。
[0007] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第一电极例如是比第二电极容易氧化。
[0008] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，介电层的材料例如是高介电常数材料。
[0009] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第一群聚型金属纳米粒子与第一电极例如是具有相同的金属元素。
[0010] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第一群聚型金属纳米粒子例如是具有可氧化性(oxidizability)。
[0011] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第一群聚型金属纳米粒子的材料与第一包覆型金属纳米粒子的材料可分别为过渡金属。
[0012] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第一包覆型金属纳米粒子的电位例如是高于该些第一群聚型金属纳米粒子的电位。
[0013] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第一包覆型金属纳米粒子的扩散系数例如是大于介电层的材料的扩散系数。
[0014] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第一包覆型金属纳米粒子的材料包括一种或两种以上金属。
[0015] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第二电极的材料例如是过渡金属或其氮化物。
[0016] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，还包括第一放热电极，且第一电极设置于第一放热电极上。
[0017] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，还包括至少一第二纳米结构，设置于第二电极与介电层之间，且第二纳米结构包括多个第二群聚型金属纳米粒子及多个第二包覆型金属纳米粒子。第二群聚型金属纳米粒子设置于第二电极上。第二包覆型金属纳米粒子包覆第二群聚型金属纳米粒子，其中第二群聚型金属纳米粒子的扩散系数大于第二包覆型金属纳米粒子的扩散系数。
[0018] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第二群聚型金属纳米粒子与第二电极例如是具有相同的金属元素。
[0019] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第二群聚型金属纳米粒子例如是具有可氧化性。
[0020] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第二群聚型金属纳米粒子的材料与第二包覆型金属纳米粒子的材料可分别为过渡金属。
[0021] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第二包覆型金属纳米粒子的电位例如是高于该些第二群聚型金属纳米粒子的电位。
[0022] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第二包覆型金属纳米粒子的扩散系数例如是大于介电层的材料的扩散系数。
[0023] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，第二包覆型金属纳米粒子的材料包括一种或两种以上金属。
[0024] 依照本发明的一实施例所述，在上述的电阻式随机存取存储器中，还包括第二放热电极，设置于第二电极上。
[0025] 基于上述，由于本发明所提出的电阻式随机存取存储器具有第一纳米结构，且在电阻式随机存取存储器进行操作时，第一纳米结构中的第一群聚型金属纳米粒子可作为氧化还原反应的材料，因此可提高电阻式随机存取存储器的耐用性。
[0026] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
[0027] 图1所绘示为本发明的一实施例的电阻式随机存取存储器的示意图。
[0028] 图2所绘示为图1中的电阻式随机存取存储器在进行操作时的示意图。
[0029] 图3所绘示为本发明的另一实施例的电阻式随机存取存储器的示意图。
[0030] 符号说明
[0031] 100、200：电阻式随机存取存储器
[0032] 102、108、208：电极
[0033] 104：介电层
[0034] 106、206：纳米结构
[0035] 110、210：群聚型金属纳米粒子
[0036] 112、212：包覆型金属纳米粒子
[0037] 114、214：放热电极
[0038] 116：氧化物
具体实施方式
[0039] 图1所绘示为本发明的一实施例的电阻式随机存取存储器的示意图。图2所绘示为图1中的电阻式随机存取存储器在进行操作时的示意图。
[0040] 请参照图1，电阻式随机存取存储器100，包括电极102、介电层104、至少一纳米结构106及电极108。电极102的材料例如是过渡金属或其氮化物，如Zr、Al、Ta、Hf、Ti、Cu、TiN或TaN。电极102的形成方法例如是物理气相沉积法，如溅镀法。
[0041] 介电层104设置于电极102上。介电层104的材料例如是高介电常数材料。介电层104的材料例如是金属氧化物，如HfO2、Al2O3、Ta2O5、ZrO2、TiO2、Cu2O或CuO。在此实施例中，介电层104的材料是以HfO2为例进行说明，但本发明并不以此为限。介电层104的形成方法例如是原子层沉积法(atomic layer deposition，ALD)或化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)。
[0042] 纳米结构106设置于电极102与介电层104之间，且纳米结构106包括多个群聚型金属纳米粒子110及多个包覆型金属纳米粒子112。纳米结构106例如是设置于电极102上且暴露出部分电极102。纳米结构106的形成方法例如是旋转涂布法(spin coating)。在此实施例中，虽然纳米结构106是以多个为例进行说明，然而只要电阻式随机存取存储器100具有至少一个纳米结构106即属于本发明所保护的范围。
[0043] 群聚型金属纳米粒子110设置于电极102上，且群聚型金属纳米粒子110可于电极102上形成群聚结构。群聚型金属纳米粒子110例如是具有可氧化性。群聚型金属纳米粒子
110的材料例如是过渡金属，如Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。群聚型金属纳米粒子110与电极102例如是具有相同的金属元素。在此实施例中，群聚型金属纳米粒子110与电极102的材料例如是同为Zr，而具有相同的金属元素，但本发明并不以此为限。群聚型金属纳米粒子110的尺寸例如是3nm～300nm。
110的材料例如是过渡金属，如Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。群聚型金属纳米粒子110与电极102例如是具有相同的金属元素。在此实施例中，群聚型金属纳米粒子110与电极102的材料例如是同为Zr，而具有相同的金属元素，但本发明并不以此为限。群聚型金属纳米粒子110的尺寸例如是3nm～300nm。
[0044] 包覆型金属纳米粒子112包覆群聚型金属纳米粒子110，其中群聚型金属纳米粒子110的扩散系数大于包覆型金属纳米粒子112的扩散系数。包覆型金属纳米粒子112的扩散系数例如是大于介电层104的材料的扩散系数。包覆型金属纳米粒子112的材料例如是过渡金属，如Pt、Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。包覆型金属纳米粒子112的电位例如是高于群聚型金属纳米粒子110的电位，且通过包覆型金属纳米粒子112与群聚型金属纳米粒子110之间的电位差，可使得包覆型金属纳米粒子112包覆群聚型金属纳米粒子110。举例来说，材料为Pt的包覆型金属纳米粒子112的电位高于材料为Zr的群聚型金属纳米粒子110的电位，但本发明并不以此为限。
[0045] 此外，包覆型金属纳米粒子112的材料可为一种或两种以上金属。在此实施例中，虽然包覆型金属纳米粒子112的材料是以单一种金属(如，Pt)为例进行说明。然而，在其他实施例中，包覆型金属纳米粒子112的材料亦可为两种以上金属。包覆型金属纳米粒子112的尺寸例如是3nm～300nm。
[0046] 电极108设置于介电层104上。电极108的材料例如是过渡金属或其氮化物，如Pt、Zr、Al、Ta、Hf、Ti、Cu、TiN或TaN。电极108的形成方法例如是物理气相沉积法，如溅镀法。电极102例如是比电极108容易氧化。举例来说，材料为Zr的电极102比材料为Pt的电极108容易氧化，但本发明并不以此为限。
[0047] 电阻式随机存取存储器100还可包括放热电极114，且电极102可设置于放热电极114上。放热电极114的材料例如是放热金属材料，如TiSiN或TaSiN。放热电极114的形成方法例如是化学气相沉积法。
[0048] 请同时参照图1及图2，在电阻式随机存取存储器100进行操作时，在电极102与介电层104的界面进行的氧化还原反应会产生声子(phonon)，且声子的振动(vibration)会导致焦耳加热(joule heating)。当热能传送到群聚型金属纳米粒子110及包覆型金属纳米粒子112时，群聚型金属纳米粒子110及包覆型金属纳米粒子112会通过克根达效应(kirkendall effect)进行扩散。即扩散系数大的包覆型金属纳米粒子112(如，Pt纳米粒子)及群聚型金属纳米粒子110(如，Zr纳米粒子)会往扩散系数小的介电层104(如，HfO2)进行扩散，而使得群聚型金属纳米粒子110从纳米结构106中扩散到介电层104中。
[0049] 如此一来，在电阻式随机存取存储器100进行操作时，除了电极102可作为氧化还原的材料之外，群聚型金属纳米粒子110也可作为氧化还原的材料，因此可提高电阻式随机存取存储器100的耐用性。在此实施例中，在电阻式随机存取存储器100进行操作时所产生的氧化物116例如是ZrO，但本发明并不以此为限。
[0050] 此外，当电阻式随机存取存储器100具有放热电极114时，由于放热电极114有助于将热能传送到群聚型金属纳米粒子110及包覆型金属纳米粒子112，因此可提高群聚型金属纳米粒子110及包覆型金属纳米粒子112的扩散效率。
[0051] 图3所绘示为本发明的另一实施例的电阻式随机存取存储器的示意图。
[0052] 请同时参照图1及图3，图3的电阻式随机存取存储器200与图1的电阻式随机存取存储器100的差异在于：电阻式随机存取存储器200还包括至少一纳米结构206。此外，电极208的材料与电极108的差异在于：电极208的材料不为Pt。另外，电阻式随机存取存储器200还可包括放热电极214，设置于电极208上。另外，由于图2中的其他构件与图1中的构件相似，故以相同的标号表示并省略其说明。
[0053] 纳米结构206设置于电极208与介电层104之间，且纳米结构206包括多个群聚型金属纳米粒子210及多个包覆型金属纳米粒子212。纳米结构206例如是设置于电极208上且暴露出部分电极208。纳米结构206的形成方法例如是旋转涂布法。在此实施例中，虽然纳米结构206是以多个为例进行说明，然而只要电阻式随机存取存储器200具有至少一个纳米结构206即属于本发明所保护的范围。
[0054] 群聚型金属纳米粒子210设置于电极208上，且群聚型金属纳米粒子210可于电极208上形成群聚结构。群聚型金属纳米粒子210例如是具有可氧化性。群聚型金属纳米粒子
210的材料例如是过渡金属，如Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。群聚型金属纳米粒子210与电极208例如是具有相同的金属元素。在此实施例中，群聚型金属纳米粒子210与电极208的材料例如是同为Al，而具有相同的金属元素，但本发明并不以此为限。群聚型金属纳米粒子210的尺寸例如是3nm～300nm。
210的材料例如是过渡金属，如Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。群聚型金属纳米粒子210与电极208例如是具有相同的金属元素。在此实施例中，群聚型金属纳米粒子210与电极208的材料例如是同为Al，而具有相同的金属元素，但本发明并不以此为限。群聚型金属纳米粒子210的尺寸例如是3nm～300nm。
[0055] 包覆型金属纳米粒子212包覆群聚型金属纳米粒子210，其中群聚型金属纳米粒子210的扩散系数大于包覆型金属纳米粒子212的扩散系数。包覆型金属纳米粒子212的扩散系数例如是大于介电层104的材料的扩散系数。包覆型金属纳米粒子212的材料例如是过渡金属，如Pt、Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。包覆型金属纳米粒子212的电位例如是高于群聚型金属纳米粒子210的电位，且通过包覆型金属纳米粒子212与群聚型金属纳米粒子210之间的电位差，可使得包覆型金属纳米粒子212包覆群聚型金属纳米粒子210。举例来说，材料为Pt的包覆型金属纳米粒子212的电位高于材料为Al的群聚型金属纳米粒子210的电位，但本发明并不以此为限。
[0056] 此外，包覆型金属纳米粒子212的材料可为一种或两种以上金属。在此实施例中，虽然包覆型金属纳米粒子212的材料是以单一种金属(如，Pt)为例进行说明。然而，在其他实施例中，包覆型金属纳米粒子212的材料也可为两种以上金属。包覆型金属纳米粒子212的尺寸例如是3nm～300nm。
[0057] 电极208的材料例如是Pt以外的过渡金属，如Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。在此实施例中，电极208的材料是以Al进行说明，但本发明并不以此为限。电极102例如是比电极208容易氧化。举例来说，材料为Zr的电极102比材料为Al的电极208容易氧化，但本发明并不以此为限。
[0058] 此外，放热电极214的材料例如是放热金属材料，如TiSiN或TaSiN。放热电极214的形成方法例如是化学气相沉积法。
[0059] 由上述实施例可知，由于纳米结构206的作用原理与机制与上一实施例中的纳米结构106相似，在电阻式随机存取存储器200进行操作时，除了电极102、208可作为氧化还原的材料之外，群聚型金属纳米粒子110、210在进行操作时亦可作为氧化还原反应的材料，因此可提高电阻式随机存取存储器200的耐用性。
[0060] 此外，当电阻式随机存取存储器200具有放热电极114、214时，由于放热电极114、214有助于将热能传送到群聚型金属纳米粒子110、210及包覆型金属纳米粒子112、212，因此可提高群聚型金属纳米粒子110、210及包覆型金属纳米粒子112、212的扩散效率。
[0061] 综上所述，本发明所提出的电阻式随机存取存储器只要在至少一电极与介电层之间具有纳米结构，即可通过纳米结构中的群聚型金属纳米粒子作为氧化还原反应的材料，而提高电阻式随机存取存储器的耐用性。
[0062] 虽然已以实施例公开本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当视附上的权利要求所界定的为准。