低形成电压OxRAM存储器单元及相关的制造方法技术

本发明专利技术的方面涉及OxRAM电阻式存储器单元(50)，其包括下部电极(2)、上部电极(53)以及在下部电极和上部电极之间延伸的有源层(54)。有源层包括第一电绝缘氧化物(EOx)层，其中，可形成导电细丝，随后连续地破坏和重新形成几次。上部电极包括能够接纳氧的贮存器层(55)，该贮存器层包括由金属(M)制成的上部部分(551)和由第二氧化物(MOy)制成的下部部分(552)，第二氧化物是所述金属的氧化物并且包含氧的比例(y)，使得第二氧化物是导电的。本发明专利技术还涉及一种用于制造这种存储器单元的方法。种用于制造这种存储器单元的方法。种用于制造这种存储器单元的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低形成电压OxRAM存储器单元及相关的制造方法


[0001]本专利技术的
是微电子学的
，更具体地是丝状类型的非易失性电阻式存储器的

[0002]本专利技术更具体地涉及OxRAM类型的氧化物基电阻式存储器单元(“氧化物基电阻式随机存取存储器”的缩写)以及一种用于制造这种单元的方法。

技术介绍

[0003]最近几年，已经开发了新型非易失性存储器，被称为电阻式存储器，或有时被称为ReRAM(“电阻式随机存取存储器”的缩写)。这种类型的存储器包括不同的存储器单元，有时被称为“存储器点”，每个存储器单元存储一条二进制数据。所讨论的二进制数据由所考虑的存储器单元的电阻水平(高或低)表示。
[0004]通常，通过进行几层的堆叠来制造这种存储器单元，该堆叠包括下部电极、上部电极以及在下部电极与上部电极之间延伸的有源层。对横向尺寸最初相当大的所讨论的堆叠进行蚀刻，以获得彼此不同的几个存储器单元(该蚀刻使得可以横向地界定每个存储器单元)。这些通常是被蚀刻以便限定每个存储器单元的“有源”部分的横向尺寸的上部电极和有源层(即，记录待存储的数据的部分)。
[0005]在OxRAM存储器单元，如图1中所示的单元1中，有源层4由金属氧化物或半导体氧化物，EOx，例如，氧化铪或氧化硅制成。最初，有源层4完全电绝缘。但是对于每个存储器单元，然后进行被称为“形成”的步骤。在该步骤期间，通过进行该层的受控击穿来在有源层中形成导电细丝。然后，通过将下部电极2和上部电极3电连接，由此形成的细丝通过有源层，从一端延伸到另一端。
[0006]为了进行该形成步骤，例如，可以在所考虑的存储器单元的下部电极与上部电极之间施加电压，然后将该电压的值逐渐地增加至阈值电压，被称为形成电压U
F
，超过该阈值电压，获得了该有源层的击穿。
[0007]一旦形成，导电细丝就可以在连续的写入循环(SET)，然后复位循环(RESET)即，存储器单元的擦除(当重新形成灯丝时的SET操作，以及当再次破坏灯丝时的RESET操作)期间被破坏、然后被重新形成、然后再次被破坏等。待要被施加到存储器单元以破坏细丝和重新形成它的阈值电压(SET电压和RESET电压)通常低于第一次形成细丝所需的形成电压U
F
。
[0008]用于形成细丝的机理可以需要在形成有源层的氧化物内氧空位的重组。另外，为了方便该重组，在上部电极3中通常集成有能够存储氧的贮存器层5。在有源层4上方抵靠后者延伸的该贮存器层最经常由(未氧化的)金属M，如钛、镧或锆制成。该贮存器层5通常覆盖有保护层6，例如，该保护层由所讨论的金属的氮化物MN制成。
[0009]实践中，令人感兴趣的是蚀刻具有减小的横向尺寸的存储器单元，以便增加存储器中存储的信息的密度。
[0010]但是在实践中观察到，当存储器单元的截面减小时，为了第一次产生导电细丝而必须施加的形成电压U
F
增加。对于范围从1μm2至约100
×
100nm2的截面，这种增加是相当渐
进的。但是在约一百纳米的尺寸以下，当存储器单元的截面减小时(更精确地，当上部电极的表面面积减小时)，观察到形成电压U
F
的快速增加。然后，该增加导致形成电压U
F
的高值，例如大于5伏或6伏，远高于典型地小于1或2伏的存储器单元的SET电压和RESET电压。
[0011]为了进行形成操作，然后，接纳存储器的芯片必须配备有特别地专用于形成操作的附加电子器件，使得可以传送高电压(除了存储器单元的控制电子器件之外，这使得可以进行SET和RESET操作)。然后，这些附加电子器件增加了制造存储器的成本，以及其在电子芯片上所占据的尺寸。
[0012]因此，减小这种存储器单元的形成电压U
F
，而不增加这些单元中的每一个所占据的表面将是有用的。

技术实现思路

[0013]在此背景下，本专利技术提出了一种OxRAM电阻式存储器单元，其包括特定类型的贮存器层，由于该贮存器层，可以减小单元的形成电压U
F
，然而不增加单元所占据的表面。
[0014]更具体地，本专利技术提出了一种OxRAM电阻式存储器单元，其包括下部电极、上部电极以及在下部电极与上部电极之间延伸的有源层，该有源层包括第一电绝缘氧化物的至少一个层，其中，可以形成导电细丝，随后连续地破坏和重新形成导电细丝几次，上部电极包括能够接纳氧的贮存器层，至少部分贮存器层由金属制成，其中，所述贮存器层包括由所述金属制成的上部部分和第二氧化物制成的下部部分，第二氧化物是所述金属的氧化物和包含氧的比例，这样使得第二氧化物是导电的，具有大于100姆欧(Siemens)/每米的电导率。
[0015]专利技术人已经观察到，贮存器层的由第二氧化物导体制成的下部部分使得可以相对于具有相同外部尺寸，但没有由导电氧化物制成的该部分的存储器单元，显著地减小存储器单元的形成电压U
F
(在图9中示出了所讨论的形成电压的减小，举例而言，针对根据本专利技术教导的第一类型存储器单元)。
[0016]在已经讨论了(通常对于具有小截面的单元所获得的)可以负责形成电压U
F
的高值的机理之后，在下文中呈现由这个特定贮存器层所提供的改进的解释。
[0017]首先，可以注意到，“形成”操作基于有源层4的氧化物EOx的受控击穿机理。该击穿与有源层中的缺陷的形成有关，缺陷导致导电路径的形成。然而，当单元的横截面较大时，该缺陷的形成是更可能的。另外表述，单元的截面越小，并且存在的适于触发(或换言之，起始所讨论的击穿)的位置越少，并且因此需要更高的电压来获得击穿。
[0018]通过存储器单元的横向蚀刻，增强了这种效应，根据所考虑的层而或多或少明显。实际上，在如图1所示的现有技术的单元中，完全地由金属M制成的贮存器层5比存储器的其他层(由所述金属的氮化物MN制成，或由氧化物EOx制成)更不耐蚀刻。在蚀刻之后，因此，贮存器层5具有小于有源层4，并且小于存储器单元的上表面的截面。在图1中示意性地示出了对于金属层5更明显的该横向蚀刻，有时被称为“底切”(或“开槽”)。对于具有较大截面的单元，由于这种差异蚀刻导致的贮存器层5的截面的减小保持低的相对值。另一方面，对于小尺寸的存储器单元，例如具有40nm尺寸的单元，这种“底切”效应可以使得，贮存器层5的截面的表面面积A
M
是存储器单元的上表面的表面面积A
T
四分之一小。
[0019]因此，被施加在有源层4的上表面上以便获得该层的击穿的电势最终地被施加(经由贮存器层5)在有效表面A
M
上，该有效表面A
M
比由存储器单元所占据的视表面A
T
(而且本身
也是小的视表面)更小。这解释了对于其上表面具有约100
×
100nm2或更小的表面面积的存储器单元，所观察到的形成电压的特别高的值。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种OxRAM电阻式存储器单元(50；60；80)，包括下部电极(2)、上部电极(53；63；83)以及在下部电极(2)和上部电极(53；63；83)之间延伸的有源层(54；64；84)，
‑
有源层(54；64；84)包括第一电绝缘氧化物(EOx)的至少一个层，其中，可以形成导电细丝，随后连续地破坏和重新形成几次，
‑
上部电极(53；63；83)包括能够接纳氧的贮存器层(55；65；85)，贮存器层(55；65；85)的至少一部分由金属(M)制成，
‑
其特征在于，所述贮存器层(55；65；85)包括由所述金属(M)制成的上部部分(551；651；851)和由第二氧化物(MOy)制成的下部部分(552；652；852)，第二氧化物(MOy)是所述金属(M)的氧化物和包含氧的比例(y)，从而使得第二氧化物是导电的，具有大于100姆欧/每米的电导率。2.根据权利要求1所述的存储器单元(50；60)，其中，贮存器层(55；65)包括从贮存器层的下部部分(552；652)到其上部部分(551；651)逐渐地改变的氧的比例。3.根据权利要求1所述的存储器单元(80)，其中：
‑
贮存器层(85)的下部部分是由第二氧化物(MOy)制成的第一子层(852)，并且其中，
‑
贮存器层(85)的上部部分是第二子层(851)，第二子层与第一子层(852)不同，并且由所述金属(M)制成。4.根据前述权利要求中任一项所述的存储器单元(50；60；80)，所述单元已经通过蚀刻被横向地界定，其中由第二氧化物制成的贮存器层(55；65；85)的下部部分(552；652；852)的截面(AO
X，5
；AO
X，6
；AO
X，8
)比由所述金属(M)制成的所贮存器层的上部部分(551；651；851)的截面(A
M
)大。5.根据前述权利要求中任一项所述的存储器单元(50；60；80)，其中，所述金属(M)是以下金属中的一种：钛、镧、铝、锆、铪、钆、钽。6.根据前述权利要求中任一项所述的存储器单元(50；60；80)，其中，第一氧化物(EOx)是不同于所述金属(M)的化学元素(E)的氧化物。7.根据前述权利要求中任一项所述的存储器单元(50；60；80)，其中，所述金属(M)是钛，并且其中，第二氧化物(MOy)中的氧的比例(y)小于1.7个氧原子/每个钛原子。8.根据前述权利要求中任一项所述的存储器单元(50；60；80)，其中，第一氧化物(EOx)是氧化硅。9.一种用于制造OxRAM电阻式存储器单元(50；60；80)的方法，包括以下步骤：
‑
(St1)沉积下部电极(2)，然后
‑
(St2)在下部...

【专利技术属性】
技术研发人员：加布里埃尔，
申请(专利权)人：威比特纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：