[發明專利]低形成電壓的電阻式隨機存取存儲器(RRAM)

有效

• 申請號: 201310234123.7
• 申請日: 2013-06-13
• 公開（公告）號: CN104051615B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: 楊晉杰;朱文定;廖鈺文;張至揚;陳俠威;涂國基;謝靜佩
• 申請（專利權）人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24
• 代理公司: 北京德恒律治知識產權代理有限公司11409
• 代理人: 章社杲,孫征

技術領域

本發明涉及半導體器件，更具體而言，涉及電阻式隨機存取存儲器(RRAM)器件結構和布局以及RRAM器件的制作方法。

背景技術

在集成電路(IC)器件中，電阻式隨機存取存儲器(RRAM)是用于新一代的非易失性存儲器件的新興技術。RRAM是包括RRAM單元陣列的存儲器結構，每個RRAM單元使用電阻值而不是電荷存儲數據位。具體而言，每個RRAM單元都包括電阻材料層，可以調節該電阻材料層的電阻以表示邏輯“0”或邏輯“1”。RRAM器件根據下列原理工作：電介質能夠(正常情況下為絕緣的)通過在施加足夠高的電壓之后形成的絲狀路徑或導電路徑導電。絲狀路徑或導電路徑的形成是RRAM的形成操作或形成工藝。該足夠高的電壓是“形成”電壓。導電路徑形成可以起因于不同的機理，包括缺陷、金屬遷移和其它機理。在RRAM器件中可以使用多種不同的介電材料。一旦形成絲狀路徑或導電路徑，RRAM單元可以通過適當地施加的電壓進行“復位”或者進行“設置”，其中，復位，即，斷開，導致高電阻；設置，即，重新形成，導致低電阻。存在用于配置RRAM單元陣列的多種結構。例如，交叉點結構包括配置在交叉的字線和位線之間的每個單元的RRAM。近來，已提出了能夠改進隨機存取時間的晶體管型結構，這種結構在每個單元中使RRAM與晶體管配對(1T1R)。然而，初步提案形成具有明顯漏電流的無效器件。因此，繼續尋求對1T1R?RRAM單元的改進及其制造方法。

發明內容

為了解決現有技術中所存在的缺陷，根據本發明的一方面，提供了一種電阻式隨機存取存儲器(RRAM)，包括：底部電極，具有通孔部分和非平面部分，其中，所述底部電極的所述通孔部分嵌入第一RRAM停止層中，并且所述非平面部分具有頂點并且在所述通孔部分上方居中；電阻材料層，共形地覆蓋所述底部電極的所述非平面部分；以及頂部電極，位于所述電阻材料層上方。

在該RRAM單元中，所述底部電極還具有所述非平面部分和所述通孔部分之間的平面部分。

在該RRAM單元中，所述底部電極的所述非平面部分的截面具有高度和基底寬度，并且所述高度與所述基底寬度的比率約大于0.5。

在該RRAM單元中，所述高度與所述寬度的比率約為1。

在該RRAM單元中，所述高度與所述寬度的比率約大于1。

在該RRAM單元中，所述底部電極的所述非平面部分的截面為半橢圓、拋物線或懸鏈線。

在該RRAM單元中，所述底部電極的所述非平面部分的截面為三角形。

該RRAM單元進一步包括：位于所述電阻材料層和所述頂部電極之間的保護層。

該RRAM單元進一步包括：位于所述頂部電極上方并且環繞所述頂部電極的第二RRAM停止層。

根據本發明的另一方面，提供了一種電阻式隨機存取存儲器(RRAM)單元陣列，包括：組織成多列和多行的多個RRAM單元，每個RRAM單元都具有：晶體管；RRAM結構，具有：底部電極，具有通孔部分和帶頂點的非平面部分，所述底部電極的所述通孔部分嵌入第一RRAM停止層中并且與所述晶體管的漏極電連接；電阻材料層，位于所述底部電極上；保護層，位于所述電阻材料層上；頂部電極，位于所述電阻材料層上方；第二RRAM停止層，位于所述頂部電極的至少一部分的上方；以及位線，連接RRAM單元中的列。

在該RRAM單元陣列中，每個RRAM單元中的所述頂部電極都包括將所述頂部電極電連接至所述位線的頂部電極通孔。

在該RRAM單元陣列中，一列RRAM單元中的所述頂部電極是連續的并且連接至遠離所述RRAM單元的列的所述位線。

在該RRAM單元陣列中，所述RRAM單元中的所述底部電極還具有平面部分，所述平面部分在一行RRAM單元中是連續的。

根據本發明的又一方面，提供了一種制造電阻式隨機存取存儲器(RRAM)結構單元陣列的方法，所述方法包括：在半導體襯底上形成多個晶體管；沉積第一RRAM停止層；在所述第一RRAM停止層中蝕刻底部電極通孔；在所述底部電極通孔中以及所述第一RRAM停止層上方沉積底部電極層；沉積硬掩模和光刻膠圖案；對所述底部電極層進行蝕刻以形成具有帶頂點的非平面部分的底部電極；在所述底部電極上方沉積電阻材料層、保護層和頂部電極層；通過對頂部電極層、所述保護層和所述電阻材料層進行圖案化和蝕刻來形成所述頂部電極；以及沉積第二RRAM停止層和介電層。

該方法進一步包括：圖案化并填充穿過所述RRAM停止層和所述介電層的位線通孔到達一列RRAM單元的頂部電極。