[發(fā)明專利]自整流電阻式隨機(jī)存取存儲器存儲單元結(jié)構(gòu)及3D交錯陣列

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410461333.4
• 申請日: 2014-09-11
• 公開（公告）號: CN105470277B
• 公開（公告）日: 2019-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 侯拓宏;徐崇威;周群策;賴韋利
• 申請（專利權(quán)）人: 華邦電子股份有限公司
• 主分類號: H01L27/24
• 分類號: H01L27/24
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 王天堯

本發(fā)明提供一種自整流電阻式隨機(jī)存取存儲器存儲單元結(jié)構(gòu)RRAM及3D交錯陣列，該存儲單元結(jié)構(gòu)包括由第一金屬元素的氮化物所構(gòu)成的一第一電極層、由與第一金屬元素不同的第二金屬元素所構(gòu)成的一第二電極層以及一第一電阻轉(zhuǎn)換層與一第二電阻轉(zhuǎn)換層，其中第一電阻轉(zhuǎn)換層夾設(shè)于第一電極層與第二電阻轉(zhuǎn)換層之間，且第二電阻轉(zhuǎn)換層夾設(shè)于第一電阻轉(zhuǎn)換層與第二電極層之間，且第一電阻轉(zhuǎn)換層具有一第一能隙，第二電阻轉(zhuǎn)換層具有一第二能隙，第一能隙小于第二能隙。本發(fā)明的存儲單元結(jié)構(gòu)不需中間金屬層，且具有自限流及自整流的特性，可方便制造RRAM 3D交錯陣列，并解決潛電流問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于一種存儲器裝置，且特別關(guān)于一種電阻式隨機(jī)存取存儲器(RRAM)存儲單元結(jié)構(gòu)及3D交錯陣列。

背景技術(shù)

隨著集成電路功能性的增加，對存儲器的需求亦隨之增加。設(shè)計者已著眼于減少存儲器元件的尺寸，并于單位區(qū)域內(nèi)堆疊更多的存儲器元件，以達(dá)到更多的容量并使每位所需的成本更低。在最近幾十年中，由于光刻技術(shù)的進(jìn)步，快閃存儲器已廣泛用作大容量且不昂貴的非易失性存儲器，其可在電源關(guān)閉時仍存儲數(shù)據(jù)。此外，快閃存儲器可通過3D交錯陣列來達(dá)到高密度，例如使用垂直NAND存儲單元堆疊。然而，已發(fā)現(xiàn)的是，快閃存儲器的尺寸微縮會隨成本增高而受限。

設(shè)計者正在尋找下一代的非易失性存儲器，例如磁阻式隨機(jī)存取存儲器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、相變化隨機(jī)存取存儲器(PhaseChange Random Access Memory，PCRAM)、導(dǎo)電橋接式隨機(jī)存取存儲器(ConductiveBridging Random Access Memory，CBRAM)及電阻式隨機(jī)存取存儲器(Resistive RandomAccess Memory，RRAM)，以增加寫入速度及減少功耗。在上述種類的非易失性存儲器中，RRAM的結(jié)構(gòu)簡單、且具有簡單的交錯陣列及可于低溫制造，使得RRAM具有最佳的潛力來取代現(xiàn)有的快閃存儲器。RRAM的單位元件僅由一絕緣體及兩金屬電極組成。

雖然RRAM交錯陣列的結(jié)構(gòu)簡單，但在制造上仍有許多問題待解決，特別是其3D交錯陣列。如無法形成3D交錯陣列，就高容量的數(shù)據(jù)存儲裝置來說，RRAM的每位成本有可能無法與3D NAND存儲器競爭。

RRAM交錯陣列理論上可容許4F²的最小單元胞尺寸(其中F為最小元件尺寸)，且低溫制造工藝可容許存儲器陣列的堆疊達(dá)到前所未有的集成密度。然而，在1R結(jié)構(gòu)中(僅具有一電阻元件)，會有潛電流(sneak current)通過相鄰未被選擇的存儲單元，而嚴(yán)重地影響讀取裕量(read margin)，且限制交錯陣列的最大尺寸低于64位。此問題可通過增加非線性選擇裝置與這些電阻轉(zhuǎn)換元件串聯(lián)予以解決。例如，已發(fā)展出一二極管搭配一電阻(1D1R)、一選擇器搭配一電阻(1S1R)、一雙極性接面晶體管搭配一電阻(1BJT1R)、一MOSFET晶體管搭配一電阻(1T1R)等存儲單元結(jié)構(gòu)。在上述存儲單元結(jié)構(gòu)中，1BJT1R結(jié)構(gòu)及1T1R結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜且需高溫制造工藝而較不適用，且互補(bǔ)式電阻轉(zhuǎn)換元件(CRS)存儲單元結(jié)構(gòu)亦有破壞性讀出的問題。因此，1D1R結(jié)構(gòu)及1S1R結(jié)構(gòu)較適合3D交錯陣列的運用。

然而，1D1R及1S1R的3D交錯陣列仍不易于制造。1D1R及1S1R存儲單元結(jié)構(gòu)基本上是由一金屬-絕緣體-金屬-絕緣體-金屬(MIMIM)結(jié)構(gòu)形成。圖1顯示一由1D1R或1S1R存儲單元堆疊結(jié)構(gòu)所形成的理想RRAM 3D交錯陣列。1D1R及1S1R存儲單元結(jié)構(gòu)的MIMIM結(jié)構(gòu)形成于導(dǎo)線102及104之間并沿一水平軸106延伸，此水平軸106垂直于導(dǎo)線102及104的側(cè)壁。然而，RRAM 3D交錯陣列通常形成于半導(dǎo)體基材中。在形成導(dǎo)線102之后，光刻制造工藝僅能自方向110進(jìn)行。自方向110進(jìn)行的光刻制造工藝可能無法形成如圖1所示的圖案化金屬層108，因而使得1D1R及1S1R存儲單元結(jié)構(gòu)的3D交錯陣列無法被實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容