高密度应用的互补式电阻开关随机存取存储器的结构和方法技术

本发明专利技术提供了一种电阻式随机存取存储器(RRAM)结构。该RRAM结构包括位于衬底上的底部电极、位于底部电极上的包括缺陷工程膜的电阻材料层以及位于电阻材料层上的顶部电极。本发明专利技术还提供了一种高密度应用的互补式电阻开关随机存取存储器的结构和方法。

【技术实现步骤摘要】
高密度应用的互补式电阻开关随机存取存储器的结构和方法优先权数据本申请要求2012年6月15日提交的第61/660,102号美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请以其全部内容作为参考结合到本文中。
本专利技术涉及半导体领域，更具体地，本专利技术涉及一种高密度应用的互补式电阻开关随机存取存储器的结构和方法。
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是包括了RRAM单元阵列的存储结构，每个RRAM单元均使用电阻值而非电荷来存储少量数据。具体而言，每个RRAM单元均包括电阻材料层，可以调整电阻材料层的电阻来显示逻辑“0”或逻辑“1”。存在多种配置RRAM单元阵列的结构。例如，交叉点结构在每个单元中仅包括一个RRAM，该RRAM被配置成处在交叉的字线和位线之间。交叉点结构具有高封装密度但具有潜通路问题，该问题导致在操作过程中出现错误读取。近来提出互补式电阻开关(CRS)结构来解决较大无源存储器阵列的潜通路问题。CRS单元由两个双极型电阻开关单元的反串联机构(anti-serialsetup)构成。在CRS方法中，两种存储状态是一个高低电阻状态对，由此使得所有电阻总是较高的，从而实现了更大的无源交叉点阵列。然而，CRS结构需要更多材料层，由此需要更多处理步骤和更高制造成本。因此，需要提供一种改进的不存在上述缺陷的RRAM结构及其制造方法。
技术实现思路
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本专利技术的一个方面，提供了一种电阻式随机存取存储器(RRAM)结构，包括：底部电极，位于衬底上；电阻材料层，位于所述底部电极上，所述电阻材料层包括缺陷工程膜；以及顶部电极，位于所述电阻材料层上。在所述RRAM结构中，所述电阻材料层包括选自于金属氧化物和金属氮氧化物的介电材料。在所述RRAM结构中，所述电阻材料层包括过渡金属氧化物；并且通过缺陷工程处理生成所述缺陷工程膜。在所述RRAM结构中，所述电阻材料层包括锆氧化物ZrO2和ZrOx，ZrOx/ZrO2的比率大于1，其中，x是小于2的数字。在所述RRAM结构中，还包括：覆盖层，设置在所述电阻材料层和所述顶部电极之间。在所述RRAM结构中，所述覆盖层和所述电阻材料层是选自于由钛和氧化锆、钽和氧化钽、以及铪和氧化铪所构成的组中的成对材料。在所述RRAM结构中，所述底部电极包括氮化钛；所述电阻材料层包括氧化锆；所述覆盖层包括钛；并且所述顶部电极包括氮化钽。在所述RRAM结构中，在形成工艺之后，所述过渡金属氧化物包括具有导电区Ac的导电路径和具有电介质区Ad的介电区域，其中，Ac/Ad的比率大于约25％。根据本专利技术的另一方面，提供了一种互补式电阻开关随机存取存储器(CRSRAM)装置，包括：底部电极，位于衬底上；过渡金属氧化物层，位于所述底部电极上，所述过渡金属氧化物层包括缺陷工程膜；以及顶部电极，位于所述过渡金属氧化物层上。在所述CRSRAM装置中，所述CRSRAM装置被配置和设计成：在低于本征电压的第一偏置电压下具有单阻状态；并且在高于所述本征电压的第二偏置电压下具有双阻状态。在所述CRSRAM装置中，所述过渡金属氧化物层包括ZrO2和ZrOx，ZrOx/ZrO2的比率大于1，其中，x是小于2的数字。在所述CRSRAM装置中，还包括：覆盖层，设置在所述过渡金属氧化物层和所述顶部电极之间。在所述CRSRAM装置中，所述覆盖层和所述过渡金属氧化物层是选自于由钛和氧化锆、钽和氧化钽、以及铪和氧化铪所构成的组中的成对材料。根据本专利技术的又一方面，提供了一种制造电阻式随机存取存储器(RRAM)结构的方法，包括：在衬底上形成底部电极；在所述底部电极上形成第一介电材料层；实施缺陷工程处理(DET)工艺；以及在所述第一介电材料层上形成顶部电极。在所述方法中，所述DET工艺包括：在由大约200C至大约500C的处理温度下，对所述RRAM结构施加NH3气体。在所述方法中，所述DET工艺包括：施加选自由NH3、N2、O2、O3、H2O、Cl2、Ar、CF4、H2、N2O、SiH4、CF4和它们的组合所构成的组中的气体。在所述方法中，实施所述DET工艺包括：在形成所述第一介电材料层之前对所述底部电极应用所述DET工艺。在所述方法中，还包括：在形成所述顶部电极之前在所述第一介电材料层上形成覆盖层。在所述方法中，实施所述DET工艺包括：在形成所述覆盖层之前对所述第一介电材料层应用所述DET工艺。在所述方法中，还包括：在对所述第一介电材料层实施所述DET工艺之后在所述第一介电材料层上形成第二介电材料层。在所述方法中，在所述底部电极上形成所述第一介电材料层和在所述第一介电材料层上形成所述覆盖层包括：形成选自由氧化锆和钛、氧化钽和钽、以及氧化铪和铪所构成的组中的过渡金属氧化物层和金属层。在所述方法中，还包括：在大约300C至大约500C的退火温度下对所述RRAM结构实施沉积后退火(PDA)工艺。在所述方法中，在所述底部电极上形成所述第一介电层包括：通过原子层沉积(ALD)形成氧化锆。附图说明根据以下结合附图的详细描述可以最好地理解本专利技术。需要强调的是，根据工业中的标准实践，各种不同部件没有按比例绘制，并且只是用于图示的目的。实际上，为了使论述清晰，可以任意增大或减小各种部件的尺寸。图1是制造根据多个实施例中的本专利技术的多个方面所构造的存储装置的方法的流程图；图2和图3是示出了根据一个实施例中的本专利技术的多个方面的所构造的存储装置在各个制造阶段中的实施例的截面图；图4是示出了根据多个实施例中的本专利技术的多个方面所构造的图2和图3的存储装置中的介电材料层的截面图；图5提供了示出多个实施例中的多个存储装置的特征数据的图表；图6是示出了在一个实施例中图2和图3的存储装置的电流与电压脉动之间的关系的图表；图7是示出了根据一个或多个实施例中的本专利技术的多个方面所构造的图2和图3的存储装置的多个操作的表格；图8是根据一个实施例中的本专利技术的多个方面所构造的图2和图3的存储装置中的介电材料层的俯视图；图9是根据一个实施例中的本专利技术的多个方面该存储器结构具有多个存储单元的存储器结构。具体实施方式应该理解，以下公开内容提供了许多用于实施所公开的不同特征的不同实施例或实例。以下描述组件和配置的具体实例以简化本专利技术。当然，这仅仅是实例，并不是用于限制本专利技术。另外，本专利技术的内容可以在不同实例中重复参考标号和/或字母。这种重复是为了简化和清晰的目的，并且没有在本质上表示各个实施例和/或所讨论配置之间的关系。此外，空间上的相对术语，诸如，“下方”，“在...下面的”，“下面的”，“在...上面的”，“上面的”等在此可被用于简化说明从而如附图中所示那样描述一个元件或部件与另一个元件或部件之间的关系。空间上的相对术语不旨在包括装置的不同方向或附图中所示的方向以外的操作。例如，如果颠倒附图中的装置，被描述为“在...下面的”元件或其他元件或部件“下方的”元件随后则指向其他元件或部件的“上面”。因此，示例性术语“在...下面的”既可以包括上面的方向也可以包括下面的方向。另外，可以调整装置的方向(旋转90度或其他方向)并且同样可以相应地解释在此所用的空间上的相应的描述标号。图1是制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电阻式随机存取存储器(RRAM)结构，包括：底部电极，位于衬底上；电阻材料层，位于所述底部电极上，所述电阻材料层包括缺陷工程膜；以及顶部电极，位于所述电阻材料层上。

【技术特征摘要】
2012.06.15 US 61/660,102;2012.08.29 US 13/598,3781.一种电阻式随机存取存储器结构，包括：底部电极，位于衬底上；电阻材料层，位于所述底部电极上，所述电阻材料层包括缺陷工程膜；以及顶部电极，位于所述电阻材料层上；覆盖层，设置在所述电阻材料层和所述顶部电极之间；其中，所述覆盖层和所述电阻材料层是选自于由钛和氧化锆、钽和氧化钽、以及铪和氧化铪所构成的组中的成对材料，所述缺陷工程膜在所述电阻材料层中产生氧缺陷。2.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器结构，其中，所述电阻材料层包括选自于金属氧化物的介电材料。3.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器结构，其中：所述电阻材料层包括过渡金属氧化物；并且通过缺陷工程处理生成所述缺陷工程膜。4.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器结构，其中，所述电阻材料层包括锆氧化物ZrO2和ZrOx，ZrOx/ZrO2的比率大于1，其中，x是小于2的数字。5.根据权利要求1所述的电阻式随机存取存储器结构，其中：所述底部电极包括氮化钛；所述电阻材料层包括氧化锆；所述覆盖层包括钛；并且所述顶部电极包括氮化钽。6.根据权利要求3所述的电阻式随机存取存储器结构，其中，在形成工艺之后，所述过渡金属氧化物包括具有导电区Ac的导电路径和具有电介质区Ad的介电区域，其中，Ac/Ad的比率大于25％。7.一种互补式电阻开关随机存取存储器装置，包括：底部电极，位于衬底上；过渡金属氧化物层，位于所述底部电极上，所述过渡金属氧化物层包括缺陷工程膜，所述缺陷工程膜在所述过渡金属氧化物层中产生氧缺陷；以及顶部电极，位于所述过渡金属氧化物层上；覆盖层，设置在所述过渡金属氧化物层和所述顶部电极之间；其中，所述覆盖层和所述过渡金属氧化物层是选自于由钛和氧化锆、钽和氧化钽、以及铪和氧化铪所构成的组中的成对材料。8.根据权利要求7所述的互补式电阻开关随机存取存储器装置，其中，所述互补...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡竣扬，丁裕伟，黄国钦，
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：