具有减少的传导路径区域的电阻式存储器单元制造技术

本发明专利技术揭示一种形成电阻式存储器单元(140)(例如CBRAM或ReRAM)的方法，其可包含：形成底部电极层(102)；氧化所述底部电极层的暴露区域以形成氧化区域(110)；移除接近于所述氧化区域的所述底部电极层的区域，由此形成具有邻近于所述氧化区域的尖端区域(114)的底部电极(102A)；及使电解质区域(120A)及顶部电极(122A)形成于所述底部电极及氧化区域的至少一部分上，使得所述电解质区域布置于所述底部电极的所述尖端区域与所述顶部电极之间，且当将偏压施加于所述存储器单元时，所述电解质区域提供用于从所述底部电极的所述尖端区域到所述顶部电极的传导纤丝或空位链形成的路径。本发明专利技术还揭示一种通过此方法而形成的存储器单元及存储器单元阵列。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有用于形成传导路径(例如传导纤丝或空位链)的减少区域的电阻式存储器单元，例如导电桥接随机存取存储器(CBRAM)或电阻式随机存取存储器(ReRAM)单元。
技术介绍
电阻式存储器单元(例如导电桥接存储器(CBRAM)及电阻式RAM(ReRAM)单元)是提供优于常规快闪存储器单元的尺度及成本的新型非易失性存储器单元。CBRAM是基于固体电解质内的离子的物理再定位。CBRAM存储器单元可由两个固体金属电极制成，一个固体金属电极相对较惰性(例如钨)，另一固体金属电极具电化学活性(例如银或铜)，其中所述电解质的薄膜介于所述两个固体金属电极之间。CBRAM单元的基本理念是通过横跨通常不具传导性的膜施加偏置电压而建立由横跨所述非传导膜的单个或极少纳米级离子形成的可编程传导纤丝。所述非传导膜是指所述电解质，因为其通过氧化/还原过程而建立所述纤丝，非常类似于电池。在ReRAM单元中，通过在绝缘体中建立空位链而进行传导。建立所述纤丝/空位链建立接通状态(所述电极之间的高传导)，同时通过施加与焦耳加热电流相同的极性或以较小电流施加相反极性而溶解所述纤丝/空位链以使所述电解质/绝缘体恢复为其非传导切断状态。已证实，各种材料可用于电阻式存储器单元中的电解质及电极两者。一个实例是基于Cu/SiOx的单元，其中Cu是活性金属源电极且SiOx是电解质。电阻式存储器单元面临的常见问题是接通状态保持，即，使传导路径(纤丝或空位链)尤其在存储器部件通常可承受的高温(85℃/125℃)下保持稳定的能力。图1展示具有布置于底部电极12(例如钨)上的顶部电极10(例如铜)的常规CBRAM单元1A，其中电解质或中间电极14(例如SiO2)布置于顶部电极与底部电极之间。当将偏置电压施加于单元1A时，传导纤丝18通过电解质14而从底部电极12伸长到顶部电极10。此结构具有各种潜在限制或缺点。例如，用于纤丝形成的有效横截面区域(其在本文中是指有效纤丝形成区域(指示为AFF)，或替代地是指“局限区”)相对较大且不受限以使纤丝形成区域易受非本征缺陷影响。此外，多纤丝根部形成很可能归因于可导致较弱(不稳健)纤丝的相对较大区域。一般来说，有效纤丝形成区域AFF的直径或宽度(由“x”指示)与从底部电极12到顶部电极10的纤丝伸长距离(在此情况中为电解质14的厚度，由“y”指示)之间的比率越大，多根部纤丝形成的概率就越大。此外，大电解质容积包围纤丝，其提供纤丝的扩散路径且因此可提供较差保持性。因此，限制其中形成传导路径的电解质材料的容积可提供归因于空间局限的更稳健纤丝。可通过减少底部电极12与电解质14之间的接触区域而限制其中形成传导路径的电解质材料的容积。如本文中所使用，“传导路径”是指传导纤丝(例如，在CBRAM单元中)、空位链(例如，在基于氧空位的ReRAM单元中)或任何其它类型的传导路径(其用于连接非易失性存储器单元的底部电极及顶部电极(通常通过布置于底部电极与顶部电极之间的电解质层或区域))。如本文中所使用，“电解质层”或“电解质区域”是指传导路径通过其而伸长的底部电极与顶部电极之间的电解质/绝缘体/存储器层或区域。图2展示CBRAM单元形成的某些原理。传导路径18可横向地形成及生长，或分支成多个平行路径。此外，传导路径的位置可随着每一编程/擦除循环而改变。这可促成边际切换性能、可变性、高温保持问题及/或切换持久性。图中已展示限制切换容积有益于操作。这些原理适用于ReRAM单元及CBRAM单元。采用这些技术的关键障碍是切换一致性。图3A及3B展示CBRAM单元(例如，其具有1个晶体管1个电阻式存储器元件(1T1R)架构)的实例已知底部电极配置1B的示意图及电子显微镜图像。在此实例中，底部电极12是圆柱形通孔，例如具有Ti/TiN衬里的钨填充通孔。底部电极12可提供(例如)约30,000平方纳米的相对较大有效纤丝形成区域AFF或局限区，其可导致上文所讨论的一或多个问题或缺点。
技术实现思路
一些实施例提供电阻式存储器单元(例如CBRAM或ReRAM单元)，其比已知单元更精确地聚焦电场，这可提供更一致纤丝形成，从而改善编程电压的一致性及单元可预测性。例如，一些实施例提供用于实现从单元的底部电极发出的高度聚焦电场的技术。在一些实施例中，可相比于已知电阻式存储器单元而减少底部电极的有效横截面区域或“局限区”。例如，可将局限区域减少到小于1,000平方纳米、小于100平方纳米、小于10平方纳米或甚至小于1平方纳米。根据一个实施例，一种形成电阻式存储器单元(例如CBRAM或ReRAM)的方法可包含：形成底部电极层；氧化所述底部电极层的暴露区域以形成氧化区域；移除接近于所述氧化区域的所述底部电极层的区域，由此形成具有相邻于所述氧化区域的尖端区域的底部电极；及使电解质区域及顶部电极形成于所述底部电极及所述氧化区域的至少一部分上，使得所述电解质区域布置于所述底部电极的所述尖端区域与所述顶部电极之间，且当将电压偏置施加于所述存储器单元时，所述电解质区域提供用于从所述底部电极的所述尖端区域到所述顶部电极的传导纤丝或空位链形成的路径。根据另一实施例，一种形成单元(例如CBRAM或ReRAM单元)阵列的方法可包含：使底部电极层形成于衬底上；氧化所述底部电极层的多个暴露区域以形成彼此间隔开的多个氧化区域；移除相邻氧化区域之间的所述底部电极层的区域，由此形成多个底部电极，每一底部电极具有所述底部电极的上侧处的相应氧化区域及相邻于所述相应氧化区域的至少一个尖端区域；使电解质层及顶部电极层形成于所述多个底部电极及所述相应氧化区域上；及移除所述电解质层及顶部电极层的部分以使电解质区域及顶部电极形成于每一底部电极及相应氧化区域上，由此形成单元阵列，每一单元包含相应底部电极、相应氧化区域、相应电解质区域及相应顶部电极；其中对于每一单元，所述相应电解质区域布置于所述相应底部电极的所述尖端区域与所述相应顶部电极之间，由此提供用于形成从所述相应底部电极的所述尖端区域通过所述相应电解质区域而到所述相应顶部电极的至少一个传导纤丝或空位链的路径。附图说明下文参考图式来讨论实例实施例，其中：图1展示实例常规CBRAM单元；图2展示CBRAM单元形成的某些原理；图3A及3B展示实例已知CBRAM单元配置的示意图及电子显微镜图像；图4A到4K说明根据本专利技术的一个实施例的用于形成电阻式存储器单元(例如CBRAM或ReRAM单元)的阵列的实例方法；图5A说明根据一个实施例的第一实例顶部电极接触配置；及图5B说明根据另一实施例的第二实例顶部电极接触配置。具体实施方式图4A到4K说明根据一个实施例的用于形成电阻式存储器单元阵列(例如导电桥接存储器(CBRAM)及电阻式RAM(ReRAM)单元阵列)的实例方法。如图4A中所展示，使用任何适合技术来形成电介质衬底100(例如SiO2)。接着，如图4B中所展示，底部电极层102及硬掩模层104沉积或形成于电介质衬底100上。底部电极层102可包括任何适合传导材料(例如多晶硅、掺杂多晶硅、非晶硅、掺杂非晶硅或任何其它适合材料)，且可以任何适合方式沉积或形成底部电极层102。硬掩模层104可由任何适合材料(例如氮化硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成电阻式存储器单元的方法，其包括：使底部电极层形成于衬底上；氧化所述底部电极层的暴露区域以形成氧化区域；移除接近于所述氧化区域的所述底部电极层的区域，由此形成具有邻近于所述氧化区域的尖端区域的底部电极；使电解质区域及顶部电极形成于所述底部电极及所述氧化区域的至少一部分上，使得所述电解质区域布置于所述顶部电极与所述底部电极的所述尖端区域之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.19 US 14/184,2681.一种形成电阻式存储器单元的方法，其包括：使底部电极层形成于衬底上；氧化所述底部电极层的暴露区域以形成氧化区域；移除接近于所述氧化区域的所述底部电极层的区域，由此形成具有邻近于所述氧化区域的尖端区域的底部电极；使电解质区域及顶部电极形成于所述底部电极及所述氧化区域的至少一部分上，使得所述电解质区域布置于所述顶部电极与所述底部电极的所述尖端区域之间。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻式存储器单元是导电桥接存储器CBRAM单元。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻式存储器单元是电阻式RAMReRAM单元。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质区域提供用于形成从所述底部电极的所述尖端区域到所述顶部电极的传导纤丝或空位链的路径。5.根据权利要求1所述的方法，其包括通过下列操作而界定所述底部电极层的所述暴露区域：使掩模层形成于所述底部电极层上方；及图案化及蚀刻所述掩模层以暴露所述底部电极层的区域。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化区域在垂直于所述底部电极层的平面中的横截面具有大体上椭圆形形状。7.根据权利要求1所述的方法，其中由所述氧化区域界定所述底部电极的所述尖端区域的形状。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述底部电极的所述尖端区域围绕所述底部电极
\t的周边延伸。9.根据权利要求1所述的方法，其中：所述底部电极层界定所述底部电极的顶侧处的细长边沿；及所述底部电极的所述尖端区域沿所述底部电极层的所述细长边沿延伸。10.根据权利要求1所述的方法，其中通过下列操作而形成所述电解质区域及所述顶部电极：将电解质层及顶部电极层沉积于所述底部电极及所述氧化区域上；蚀刻所述电解质层及顶部电极层的部分以形成所述电解质区域及所述顶部电极。11.根据权利要求10所述的方法，其中蚀刻所述电解质层及顶部电极层的所述部分会暴露所述氧化区域的部分。12.一种形成单元阵列的方法，其包括：使底部电极层形成于衬底上；氧化所述底部电极层的多个暴露区域以形成彼此间隔开的多个氧化区域；移除相邻氧化区域之间的所述底部电极层的区域，由此形成多个底部电极，每一底部电极具有所述底部电极的上侧处的相应氧化区域及邻近于所述相应氧化区域的至少一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·菲思特，詹姆士·沃尔斯，
申请(专利权)人：密克罗奇普技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US