具有双间隔件的一晶体管和一阻变随机存取存储器的结构制造技术

本发明专利技术提供了具有双间隔件的一晶体管和一阻变随机存取存储器的结构，并且还提供了一种阻变随机存取存储器(RRAM)单元及其制造方法。RRAM单元包括晶体管和RRAM结构。RRAM结构包括：底电极，具有通孔部分和顶部；阻变材料层，位于底电极上并且其宽度与底电极的顶部的宽度相同；覆盖层，位于底电极上方；第一间隔件，围绕覆盖层和顶电极；第二间隔件，围绕底电极的顶部和第一间隔件；以及顶电极。RRAM单元还包括将RRAM结构的顶电极连接至金属层的导电材料。

【技术实现步骤摘要】
具有双间隔件的一晶体管和一阻变随机存取存储器的结构
本专利技术涉及半导体器件，更具体地，涉及阻变随机存取存储器(RRAM)器件结构和制造该RRAM器件的方法。
技术介绍
在集成电路(IC)器件中，阻变随机存取存储器(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单元阵列的存储器结构，每一个RRAM单元都采用阻抗值而不是电荷来存储数据位。具体地，每一个RRAM单元都包括阻变材料层，可调节阻变材料层的阻抗来表示逻辑“0”或逻辑“1”。RRAM器件的工作原理是：通常为绝缘的电介质可通过施加足够高的电压后形成的细丝(filament)或导电通路而导电。细丝或导电通路的形成是RRAM的形成操作或形成工艺。足够高的电压是‘形成’电压。导电通路的形成可由包括缺陷、金属迁移和其他机理的不同机理而引起。可在RRAM器件中使用各种不同的介电材料。一旦细丝或导电通路形成，通过施加合适的电压，其可被复位(即，断开)而引起高阻抗或者被置位(即重新形成)而引起较低的阻抗。存在各种架构来配置RRAM单元阵列。例如，交叉点架构包括在交叉的字线和位线之间配置每一个单元的RRAM。近来，提出的在每一个单元中使一个PPRM与一个晶体管成对的晶体管类型的架构(1T1R)可提高随机存取时间。然而，还在继续寻找对1T1RRRAM单元的改进及其制造方法。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种阻变随机存取存储器(RRAM)单元，包括晶体管、RRAM结构和导电材料。RRAM结构具有：底电极，具有通孔部分和顶部，底电极的通孔部分嵌入在第一RRAM停止层内；阻变材料层，位于底电极上，其宽度与底电极的顶部的宽度相同；覆盖层，位于阻变材料层上，其宽度小于阻变材料层的宽度；第一间隔件，围绕覆盖层，第一间隔件与阻变材料层对齐；第二间隔件，围绕阻变材料层和底电极的顶部；顶电极，位于阻变材料层上，其宽度等于覆盖层的宽度。导电材料将RRAM结构的顶电极连接至金属层。优选地，第一间隔件包括氮化硅或碳化硅。优选地，第二间隔件的材料与第一间隔件的材料相同。优选地，覆盖层包括钛、铪、铂或钽。优选地，RRAM结构还具有位于导电材料的一部分、顶电极、阻变材料层和第二间隔件的上方且围绕导电材料的一部分、顶电极、阻变材料层和第二间隔件的第二RRAM停止层。优选地，第二间隔件的材料与第二RRAM停止层的材料相同。优选地，该RRAM单元还包括位于部分顶电极上方的氮氧化硅层。根据本专利技术的另一方面，提供了一种阻变随机存取存储器(RRAM)单元，包括晶体管、RRAM结构和导电材料。RRAM结构具有：底电极；阻变材料层，位于底电极上，其宽度与底电极的宽度相同；覆盖层；顶电极，位于覆盖层上；第一保护层，至少围绕覆盖层，顶电极和覆盖层具有相同的宽度且小于底电极的宽度，并且保护层完全设置在阻变材料层上；第二保护层，围绕第一保护层、阻变材料层和部分底电极。导电材料将RRAM结构的顶电极连接至金属层。优选地，RRAM单元还包括位于晶体管和RRAM结构之间的三个或三个以上的金属层。优选地，阻变材料层包括氧化铪、氧化锆、氧化铝、氧化镍、氧化钽或氧化钛。优选地，第一保护层包括氮化硅。根据本专利技术的又一方面，提供了一种制造阻变随机存取存储器(RRAM)单元的方法，方法包括：在半导体衬底上形成晶体管；沉积底电极层；沉积阻变材料层；沉积覆盖层；沉积顶电极层；沉积顶电极保护层；通过图案化并蚀刻顶电极保护层、顶电极层和覆盖层来形成顶电极；在顶电极保护层、顶电极和覆盖层的周围形成第一间隔件；将第一间隔件和顶电极保护层用作蚀刻掩模，通过图案化和蚀刻底电极层来形成底电极；以及在底电极和第一间隔件的周围形成第二间隔件。优选地，该方法还包括：在晶体管和底电极层之间形成两个或两个以上的金属互连层。优选地，该方法还包括：沉积RRAM停止层和介电层；在介电层和RRAM停止层内蚀刻顶电极通孔；以及用金属填充顶电极通孔。优选地，顶电极层是氮化钽、氮化钛或铂。优选地，间隔件包括在底电极的蚀刻过程中比图案化的硬掩模具有更高蚀刻选择性的材料。优选地，在底电极的蚀刻过程中，顶电极保护层基本被移除。优选地，顶电极保护层是氮氧化硅。优选地，第一间隔件包括氮化硅、掺碳氮化硅或碳化硅。优选地，第一间隔件和第二间隔件包括相同的材料。附图说明当参照附图阅读时，根据以下详细描述最好理解本专利技术的方面。需要强调的是，根据工业的标准惯例，各种部件没有按照比例绘制。事实上，为了清楚地讨论，可随意增大或减小各个部件的尺寸。图1是根据本专利技术各个实施例的阻变随机存取存储器(RRAM)结构的截面图。图2是根据各个实施例中本专利技术的各个方面制造RRAM单元的方法流程图。图3至图16是根据本专利技术各个实施例的处于各个制造阶段的部分制造的RRAM结构的截面图。具体实施方式应该理解，为了实现各个实施例的不同特征，以下专利技术提供了许多不同的实施例或实例。下文描述了部件和配置的具体实例以简化本专利技术。当然这些只是实例并不用于限制。而且，本专利技术可在各个实例中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚但其自身并不表明所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。此外，本文可使用诸如“在...下方”、“下方”、“在...上方”、“上方”等的空间上相对术语以便于描述如附图所示一个元件或部件与另一个元件或部件的关系。除了附图所示的方向外，空间上相对术语旨在包括器件处于使用或操作中的不同方向。例如，如果将附图中的器件颠倒，则被描述为在其他元件或部件下方的元件将随之被定位在其他元件或部件的上方。因此，示例性的术语“在...下方”可包括上方和下方两个方向。图1是根据本专利技术各个实施例的嵌入在晶体管上方的多层互连(MLI)结构内的阻变随机存取存储器(RRAM)结构的截面图。RRAM结构100包括位于RRAM停止层102内和RRAM停止层102上方的底电极104A/B、阻变材料层106、覆盖层108以及顶电极110。底电极由两部分组成：嵌入在RRAM停止层102内的通孔部分104B以及位于通孔部分和RRAM停止层102上方的顶部104A。金属/介电层设置在RRAM停止层102下方且包括嵌入在介电层114内的一个或多个金属部件112。覆盖层108设置在顶电极110和阻变材料层106之间。第一间隔件124A围绕覆盖层108和顶电极110。第二间隔件124B围绕第一间隔件124A、阻变材料层106和底电极的顶部104A。第二RRAM停止层116覆盖顶电极110和第二间隔件124B。接触材料具有两部分：通孔接触件118A和通过第二RRAM停止层116电连接至顶电极110的金属部件118B。介电材料120填充第二RRAM停止层116上方的RRAM结构100之间的区域。另一种介电材料122设置在介电材料120的上方并且金属部件118B嵌入其中。介电材料120可由与介电材料122和介电层114相同的材料形成。根据各个实施例，顶电极110的宽度小于底电极的顶部104A的宽度。覆盖层108具有与顶电极110相同的宽度。阻变材料层106具有与底电极104A相同的宽度。阻变材料层106和顶电极110的宽度差为第一隔离件124A的宽度。换言之，第一隔离件124A与阻变材料层106和底电极的顶部104A对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阻变随机存取存储器(RRAM)单元，包括：晶体管；RRAM结构，具有：底电极，具有通孔部分和顶部，所述底电极的所述通孔部分嵌入在第一RRAM停止层内；阻变材料层，位于所述底电极上，其宽度与所述底电极的所述顶部的宽度相同；覆盖层，位于所述阻变材料层上，其宽度小于所述阻变材料层的宽度；第一间隔件，围绕所述覆盖层，所述第一间隔件与所述阻变材料层对齐；第二间隔件，围绕所述阻变材料层和所述底电极的所述顶部；顶电极，位于所述阻变材料层上，其宽度等于所述覆盖层的宽度；以及导电材料，将所述RRAM结构的所述顶电极连接至金属层。

【技术特征摘要】
2013.03.06 US 13/787,4311.一种阻变随机存取存储器(RRAM)单元，包括：晶体管；阻变随机存取存储器结构，具有：底电极，具有通孔部分和顶部，所述底电极的所述通孔部分嵌入在第一阻变随机存取存储器停止层内；阻变材料层，位于所述底电极上，其宽度与所述底电极的所述顶部的宽度相同；覆盖层，位于所述阻变材料层上，其宽度小于所述阻变材料层的宽度；第一间隔件，围绕所述覆盖层，所述第一间隔件与所述阻变材料层对齐；第二间隔件，围绕所述阻变材料层和所述底电极的所述顶部；顶电极，位于所述阻变材料层上，其宽度等于所述覆盖层的宽度；以及导电材料，将所述阻变随机存取存储器结构的所述顶电极连接至金属层。2.根据权利要求1所述的阻变随机存取存储器单元，其中，所述第一间隔件包括氮化硅或碳化硅。3.根据权利要求2所述的阻变随机存取存储器单元，其中，所述第二间隔件的材料与所述第一间隔件的材料相同。4.根据权利要求1所述的阻变随机存取存储器单元，其中，所述覆盖层包括钛、铪、铂或钽。5.根据权利要求1所述的阻变随机存取存储器单元，其中，所述阻变随机存取存储器结构还具有位于所述导电材料的一部分、所述顶电极、所述阻变材料层和所述第二间隔件的上方且围绕所述导电材料的一部分、所述顶电极、所述阻变材料层和所述第二间隔件的第二阻变随机存取存储器停止层。6.根据权利要求5所述的阻变随机存取存储器单元，其中，所述第二间隔件的材料与所述第二阻变随机存取存储器停止层的材料相同。7.根据权利要求1所述的阻变随机存取存储器单元，还包括位于部分所述顶电极上方的氮氧化硅层。8.一种阻变随机存取存储器(RRAM)单元，包括：晶体管；阻变随机存取存储器结构，具有：底电极；阻变材料层，位于所述底电极上，其宽度与所述底电极的宽度相同；覆盖层；顶电极，位于所述覆盖层上；第一保护层，至少围绕所述覆盖层，所述顶电极和所述覆盖层具有相同的宽度且小于所述底电极的宽度，并且所述保护层完全设置在所述阻变材...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖钰文，朱文定，涂国基，张至扬，杨晋杰，陈侠威，谢静佩，
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