ReRAM器件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种ReRAM器件，其包括第一阻变层、第二阻变层、下电极及上电极；第一阻变层的底面连接下电极，顶面中央形成有第一凹槽；第二阻变层形成在第一阻变层上，其底面中央向下填充到第一阻变层顶面中央的第一凹槽中，其顶面连接上电极；第二阻变层的物质较第一阻变层的物质更易于导电。本发明专利技术的ReRAM器件，能维持低阻态的中心导电细丝稳定。本发明专利技术还公开了所述ReRAM器件的一种只制造方法。还公开了所述ReRAM器件的一种只制造方法。还公开了所述ReRAM器件的一种只制造方法。

【技术实现步骤摘要】
ReRAM器件及其制造方法


[0001]本专利技术涉及半导体技术，特别是涉及一种ReRAM(Resistive RAM，阻变随机存储器)器件及其制造方法。

技术介绍

[0002]闪存由于其具有高密度、低价格以及电可编程、擦除的优点，已被广泛作为非易失性记忆体应用的最优选择。目前闪存单元主要是在65纳米技术节点进行，随着对大容量闪存的要求，利用现有技术节点，每片硅片上的芯片数量将会减少。同时由于基于浮栅极的闪存单元(NOR flash)在持续缩减中将会遇到问题，包括沟道方向的用于编程的热电子效应与后续单元的漏电之间的平衡，宽度方向更小的有源区带来的电压与电流的不稳定性以及后续对于数据保持能力和耐久能力的容限都有严重的影响。随着技术发展，很多替代方案随之而来，从基于薄膜性质电阻变化的随机存储器ReRAM,基于磁阻变化的随机存储器MRAM,基于铁电的随机存储器FeRAM，以及基于聚合物性质变化的随机存储器PRAM都在进行积极研发，以期取代浮栅极在现有节点的地位。在这些技术中，基于薄膜电阻特性变化的随机存储器ReRAM是最有希望的结构，其功耗低，写的速度快，并且有较好的耐久性。
[0003]一个简单的ReRAM器件如图1所示,是由可以发生电阻转变的阻变层(Resistance Switching Layer)夹在上电极(Top Electrode)和下电极(Bottom Electrode)两个金属电极之间，称之为金属
‑
绝缘层
‑
金属(Metal
‑
Insulator
‑
Metal，MIM)结构。这种MIM结构单元在施加一定电压之后可以实现至少两种不同的电阻状态之间的可逆转换，即高阻态(High Resistance State，HRS)、低阻态(Low Resistance State，LRS)。当第一次施加电压时，由于介质层的存在，初始态为HRS，电压扫描到一定条件时介质层的电阻发生从HRS到LRS的转变，这一过程被称为电激活(forming)。forming过程是器件第一次发生电阻变化的过程。当再次施加电压时，介质层的电阻从LRS再次回到HRS，称为复位(Reset)。之后的电阻从HRS再到LRS，我们称之为置位(Set)。Set过程实现了数据的写功能(从
‘0’
到
‘1’
)，Reset过程则实现了数据的清除功能(从
‘1’
到
‘0’
)，至此完成存储的基本功能。
[0004]氧化钽薄膜因耐久(endurance)性能出色的特性受到广泛关注，氧化钽良好的耐久(endurance)性能是由于薄膜具有两种稳定的状态TaO2(更倾向于导电)和Ta2O5(更倾向于绝缘)。ReRAM器件的数据保持能力(RETENTION)，是指器件的电阻发生转变之后，该电阻态的阻值能否一直保持不变，这代表着器件的寿命长短。
[0005]ReRAM器件构成的存储阵列结构如图2所示。ReRAM器件构成的存储单元结构如图3所示，其中一个为晶体管，一个为ReRAM器件，形成1T1R的结构；晶体管的栅极用于接字线WL,源极用于接源极线SL，漏极接ReRAM器件的下电极，ReRAM器件的上电极用于接位线BL。
[0006]ReRAM器件的阻值高低通过晶体管的电流来进行操作，其阻值变化的原理如图4所示,对于ReRAM存储器电阻变化主要是依据导电薄膜通道解释，在薄膜中存在受电场影响的氧空位和氧离子，首次电激活(forming)后，会有一个CF(conductive filament，导电细丝)，类似于NOR Flash的UV。在设置过程中(SET)，氧离子离开原有的位置，在薄膜中留下氧
空位(Vo)，形成可以通过大电流的低阻态。当施加反向的电压时，这些氧离子与氧空位(Vo)重新结合，形成氧原子，从而形成高阻态低电流的状态，完成复位(Reset)。对于低阻态，其中导电薄层中的氧空位长时间后一方面被原有氧离子所填充，另一方面容易受到附近游离氧的影响而使密度降低，从而使阻值升高电流降低。从改善稳定出发，研究了导电薄层尺寸与数据保持能力(RETENTION)的关系，发现更小CF(conductive filament,导电细丝)的尺寸，在同样导电下存在更高的氧空位(Vo)数量N，更好的可靠性。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是提供一种ReRAM(Resistive RAM，阻变随机存储器)器件，能维持低阻态的中心导电细丝稳定。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供的ReRAM器件，其包括第一阻变层5、第二阻变层6、下电极1及上电极2；
[0009]第一阻变层5的底面连接下电极1，顶面中央形成有第一凹槽；
[0010]第二阻变层6形成在第一阻变层5上，其底面中央向下填充到第一阻变层5顶面中央的第一凹槽中，其顶面连接上电极2；
[0011]第二阻变层6的物质较第一阻变层5的物质更易于导电。
[0012]较佳的，第一阻变层5为SrTiO3、SrZrO3、NiO、TiO2、TaO、TaO2、Ta2O6、Ta2O5、Ta2O4、Ta2O3、Ta2O2或Ta2O；
[0013]第二阻变层6为SrTiO3、SrZrO3、NiO、TiO2、TaO、TaO2、Ta2O6、Ta2O5、Ta2O4、Ta2O3、Ta2O2或Ta2O。
[0014]较佳的，第二阻变层6的顶面中央形成有第二凹槽；
[0015]第二凹槽的横向尺寸小于第一凹槽的横线尺寸并位于第一凹槽的正上方；
[0016]上电极2向下填充到第二阻变层6顶面中央的第二凹槽中。
[0017]较佳的，第一阻变层5为Ta2O6、Ta2O5、Ta2O4、Ta2O3、Ta2O2或Ta2O；
[0018]第二阻变层6为TaO2或TaO。
[0019]较佳的，第一凹槽的深度为第一阻变层5的厚度H1的1/2～4/5；
[0020]第二阻变层6的第一凹槽之外部分的厚度H2为第一凹槽的深度的1～1.5倍。
[0021]较佳的，第二凹槽的深度为第二阻变层的厚度H2的1/2～4/5。
[0022]较佳的，第二凹槽的横向尺寸为第一凹槽的横线尺寸的1/3～2/3。
[0023]较佳的，第一阻变层的厚度为3nm～30nm。
[0024]较佳的，所述上电极2同第二阻变层6顶面的接触面的材质为Ag、Pt、Ta、Ti或TiN；
[0025]所述下电极1同第一阻变层5底面的接触面的材质为Ag、Pt、Ta、Ti或TiN。
[0026]为解决上述技术问题，本专利技术提供的上述ReRAM器件的制造方法，包括以下步骤：
[0027]一.进行金属层工艺，在晶圆9上形成ReRAM器件的下电极1的金属层11，ReRAM器件的下电极1的金属层11中央区域之外的晶圆9上覆盖有隔离介质层3；
[0028]二.在ReRAM器件的下电极1的金属层1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ReRAM器件，其特征在于，其包括第一阻变层(5)、第二阻变层(6)、下电极(1)及上电极(2)；第一阻变层(5)的底面连接下电极(1)，顶面中央形成有第一凹槽；第二阻变层(6)形成在第一阻变层(5)上，其底面中央向下填充到第一阻变层(5)顶面中央的第一凹槽中，其顶面连接上电极(2)；第二阻变层(6)的物质较第一阻变层(5)的物质更易于导电。2.根据权利要求1所述的ReRAM器件，其特征在于，第一阻变层(5)为SrTiO3、SrZrO3、NiO、TiO2、TaO、TaO2、Ta2O6、Ta2O5、Ta2O4、Ta2O3、Ta2O2或Ta2O；第二阻变层(6)为SrTiO3、SrZrO3、NiO、TiO2、TaO、TaO2、Ta2O6、Ta2O5、Ta2O4、Ta2O3、Ta2O2或Ta2O。3.根据权利要求1所述的ReRAM器件，其特征在于，第二阻变层(6)的顶面中央形成有第二凹槽；第二凹槽的横向尺寸小于第一凹槽的横线尺寸并位于第一凹槽的正上方；上电极(2)向下填充到第二阻变层(6)顶面中央的第二凹槽中。4.根据权利要求3所述的ReRAM器件，其特征在于，第一阻变层(5)为Ta2O6、Ta2O5、Ta2O4、Ta2O3、Ta2O2或Ta2O；第二阻变层(6)为TaO2或TaO。5.根据权利要求3所述的ReRAM器件，其特征在于，第一凹槽的深度为第一阻变层(5)的厚度H1的1/2～4/5；第二阻变层(6)的第一凹槽之外部分的厚度H2为第一凹槽的深度的1～1.5倍。6.根据权利要求3所述的ReRAM器件，其特征在于，第二凹槽的深度为第二阻变层的第一凹槽之外部分的厚度H2的1/2～4/5。7.根据权利要求3所述的ReRAM器件，其特征在于，第二凹槽的横向尺寸为第一凹槽的横线尺寸的1/3～2/3。8.根据权利要求3所述的ReRAM器件，其特征在于，第一阻变层的厚度为3nm～30nm...

【专利技术属性】
技术研发人员：田志，陈昊瑜，邵华，
申请(专利权)人：上海华力微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：