形成电压特性改进的电阻式随机存取存储器及其形成方法技术

本发明专利技术提供了形成电压特性改进的电阻式随机存取存储器及其形成方法。本发明专利技术提供电阻式随机存取存储器(RRAM)结构及其形成方法。该RRAM结构包括具有允许在操作过程中形成与顶部电极自对准的导电通路的凸起台阶部分的底部电极。该凸起台阶部分的倾斜角可为大约30度到150度。可通过蚀刻穿过RRAM堆形成多个RRAM结构。

【技术实现步骤摘要】
形成电压特性改进的电阻式随机存取存储器及其形成方法
本专利技术涉及半导体器件，更具体地，涉及电阻式随机存取存储器(RRAM)器件结构和布局以及形成该RRAM器件的方法。
技术介绍
在集成电路(IC)器件中，电阻式随机存取存储器(RRAM)是用于下一代非易失性存储器件的新兴技术。RRAM是包括RRAM单元的阵列的存储器结构，每个RRAM单元都利用电阻值(而不是利用电压)存储数据位。特别地，每个RRAM单元都包括电阻材料层，其电阻可以被调整为代表逻辑“0”或逻辑“1”。RRAM器件是在电介质(通常是绝缘的)能够通过在“软击穿”的电介质中应用足够高的电压之后所形成的细丝或者导电路径进行导电的原则下工作。细丝或导电路径的形成是RRAM的形成操作或形成过程。该足够高的电压是“形成”电压。导电路径的形成可以通过不同的机制(包括缺陷、金属迁移、或其他的机制)产生。一旦通过适当的应用电压形成细丝或导电路径，就可以“重置”(即，破坏)以产生高阻抗，或者“置位”(即，重新形成)以产生较低阻抗。然而，需要继续寻求RRAM设计和形成方法的改进。
技术实现思路
本专利技术提供了一种电阻式随机存取存储器(RRAM)，包括：底部电极，具有凸起台阶部分；电阻材料层，共形地覆盖所述底部电极的所述凸起台阶部分；以及顶部电极，位于所述电阻材料层上方。在该RRAM中，所述凸起台阶部分的倾斜角小于90度。在该RRAM中，所述凸起台阶部分的倾斜角大于90度且小于150度。在该RRAM中，所述凸起台阶部分的高度小于50埃。在该RRAM中，所述凸起台阶部分的高度与底部电极高度的比值小于30％。在该RRAM中，所述顶部电极包括位于钛层上方的氮化钽层。在该RRAM中，所述顶部电极的厚度小于3000埃。在该RRAM中，进一步包括自上向下看时与所述凸起台阶部分的表面重叠的底部电极接触件。根据本专利技术的另一方面提供了一种电阻式随机存取存储器(RRAM)阵列，包括：多个RRAM对，布置为行和列，每个RRAM对都具有：两个RRAM结构，每个RRAM结构都具有：底部电极，具有凸起台阶部分；电阻材料层，共形地覆盖所述底部电极的凸起台阶部分；以及顶部电极，位于所述电阻材料层上方；其中，每个RRAM对中的所述凸起台阶部分都为镜像。在该RRAM阵列中，进一步包括连接到每个RRAM结构的底部电极或顶部电极的晶体管。在该RRAM阵列中，所述电阻材料层的厚度小于约300埃。在该RRAM阵列中，所述电阻材料层包括高k电介质。在该RRAM阵列中，相邻行中的所述RRAM对相互成镜像。根据本专利技术的又一方面提供了一种制作电阻式随机存取存储器(RRAM)结构的方法，所述方法包括：沉积底部电极层；在所述底部电极层上形成光刻胶图案；蚀刻所述底部电极层以形成凸起台阶部分；在所述底部电极上方沉积电阻材料层；以及在所述底部电极上方沉积顶部电极层。在该方法中，进一步包括将所述顶部电极层、所述电阻材料层以及所述底部电极层图案化并蚀刻为单个RRAM结构。在该方法中，所述单个RRAM结构是相邻RRAM结构的镜像。在该方法中，所述蚀刻所述底部电极层包括低功率等离子体蚀刻以形成倾斜角大于90度的凸起台阶部分。在该方法中，所述蚀刻所述底部电极层包括利用含氟气体和/或含氯气体的高功率等离子体蚀刻以形成倾斜角为90度或更小的凸起台阶部分。在该方法中，所述沉积电阻材料层包括利用原子层沉积工艺沉积氧化铪层。在该方法中，进一步包括图案化并蚀刻所述顶部电极层和所述电阻材料层以形成单个RRAM结构。附图说明当结合附图阅读下面的详细描述时，能更好地理解本专利技术的各个方面。需要强调的是，根据工业中的标准实践，各个部件没有按照比例绘制。事实上，为了讨论的清楚，各种部件的尺寸可以随意增加或减小。图1是根据本专利技术的不同实施例的电阻式随机存取存储器(RRAM)结构的截面图；图2是在不同的实施例中根据本专利技术的各个方面制造RRAM阵列的方法的流程图；图3是根据示例性实施例处于制造的中间阶段的晶圆的一部分的截面图；图4A至图4C是根据示例性实施例处于形成凸起台阶的制造的中间阶段的晶圆的截面图；图5A至图5C是图4A、图4B和图4C的具有电阻材料层的凸起台阶部分的截面图；图6A至图6C是位于用于图4A至图4C所示的处于不同倾斜角度的凸起部分的电阻材料层上方的顶部电极层的截面图；图7A和图7B是根据图2所示的方法处于制造的中间阶段的示例性RRAM堆的截面图；图8是每个都具有底部电极接触件和顶部电极接触件的两个RRAM结构的截面图；图9示出了根据图2所示的方法形成的、通过沟槽分隔开的、以行列形式布置的多个RRAM结构的平面图；以及图10是具有凸起台阶部分的多个RRAM结构的平面图。具体实施方式应该理解的是，下面的公开内容提供了用于实施各种实施例的不同特征的许多不同的实施例或者实例。下面描述组件和布置的特定实例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例，并不意在限制本专利技术。此外，本专利技术在不同的实例中会重复参考标记和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，本身并不表示所讨论的不同实施例和/或结构之间的关系。而且，为了便于描述，这里可能会使用诸如“在…之下”、“以下”、“下部”、“上方”、“上部”等的空间相对术语，以描述图中所示的一个元件或部件与另一个(另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，该空间相对术语意在包含器件在使用或操作的过程中的不同方位。例如，如果图中的器件被翻转，则被描述为在其他元件或部件“以下”或“之下”的元件将被定位成在其他元件或部件“上方”。因此，示例性术语“下方”可包含上方或下方两个方位。如所讨论的，上述形成电压高于读取、重置和置位电压。传统的形成电压可能是大约3.0伏至大约3.5伏或不低于3.5伏。当RRAM与晶体管配对为1T1R结构时，因为形成电压可能会高于晶体管的工作电压，所以在形成过程中可能会损坏选择晶体管的漏极侧。形成电压的减小降低了造成晶体管损坏的可能性。而且，在形成加工期间，由于电场均匀，细丝会形成在任意位置处，导致较难重置的低电阻值的大量分布。制作RRAM的过程会涉及利用两个或多个光掩模，其成本占制造成本的很大一部分。因此，涉及较少光掩模的制造RRAM的方法会提高该技术广泛应用的可行性和可能性。图1是电阻式随机存取存储器(RRAM)结构100的截面图。RRAM结构100包括底部电极101A/101B、电阻材料103以及顶部电极105。底部电极由两部分组成，即，平面部分101A和凸起台阶部分101B。电阻材料103设置在底部电极101A/101B上方。顶部电极105设置在电阻材料103上方。顶部电极105可包括不止一层，例如，包括顶部电极层105A和105B。在形成操作期间，底部电极101A/101B的结构允许形成相对于顶部电极的自对准导电路径。形成操作期间所感应的电场使电阻材料103的软击穿局限于区域107中，使得在该区域107中更可能形成细丝。这种细丝定位产生局部低电阻值。凸起台阶部分可具有大约30度到150度的倾斜角。该凸起台阶部分具有台阶高度H1。包括H1的底部电极101A/101B的总高度是H2。根据不同的实施例，H1是H2的30％或更少，但不少于3％。为影响电场，H1为至少5埃或至少10埃。在一些实施例中，H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电阻式随机存取存储器(RRAM)，包括：底部电极，具有凸起台阶部分；电阻材料层，共形地覆盖所述底部电极的所述凸起台阶部分；以及顶部电极，位于所述电阻材料层上方。

【技术特征摘要】
2013.11.15 US 14/081,9161.一种电阻式随机存取存储器(RRAM)，包括：底部电极，具有凸起台阶部分，所述底部电极具有第一顶面和第二顶面，所述第二顶面是所述凸起台阶部分的顶面，所述第一顶面和所述第二顶面在不同的水平面上；电阻材料层，共形地覆盖所述底部电极的所述凸起台阶部分；以及顶部电极，位于所述电阻材料层上方。2.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中，所述凸起台阶部分的倾斜角小于90度。3.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中，所述凸起台阶部分的倾斜角大于90度且小于150度。4.根据权利要求3所述的电阻式随机存取存储器，其中，所述凸起台阶部分的高度小于50埃。5.根据权利要求3所述的电阻式随机存取存储器，其中，所述凸起台阶部分的高度与底部电极高度的比值小于30％。6.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中，所述顶部电极包括位于钛层上方的氮化钽层。7.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，其中，所述顶部电极的厚度小于3000埃。8.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器，进一步包括自上向下看时与所述凸起台阶部分的表面重叠的底部电极接触件。9.一种电阻式随机存取存储器(RRAM)阵列，包括：多个电阻式随机存取存储器对，布置为行和列，每个电阻式随机存取存储器对都具有：两个电阻式随机存取存储器结构，每个电阻式随机存取存储器结构都具有：底部电极，具有凸起台阶部分，所述底部电极具有第一顶面和第二顶面，所述第二顶面是所述凸起台阶部分的顶面，所述第一顶面和所述第二顶面在不同的水平面上；电阻材料层，共形地覆盖所述底部电极的凸起台阶部分；以及顶部电极，位于所述电阻材料层上方；其中，每个电阻式随机存取存储器对中的所述凸起台阶部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德瀚，邹宗成，李伯浩，涂国基，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71