电阻随机存取存储器（RRAM）单元和构造方法技术

本发明专利技术提供了电阻随机存取存储器(RRAM)单元，例如导电桥接随机存取存储器(CBRAM)单元和基于氧空位的RRAM(OxRRAM)单元。RRAM单元可包括形成在相邻金属互连层之间或硅化有源层(例如，包括MOSFET器件)与第一金属互连层之间的金属

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电阻随机存取存储器(RRAM)单元和构造方法
[0001]相关专利申请
[0002]本申请要求2021年6月8日提交的共同拥有的美国临时专利申请63/208,039号的优先权，该美国临时专利申请的全部内容据此出于所有目的以引用方式并入。


[0003]本公开涉及非易失性存储器(NVM)，并且更具体地涉及电阻随机存取存储器(RRAM)单元(例如，导电桥接随机存取存储器(CBRAM)和基于氧空位的RRAM(OxRRAM)单元)和构造方法。

技术介绍

[0004]非易失性存储器(NVM)是指可在没有外部电力供应的情况下保持数据的存储器。NVM对于许多应用程序是有用的，例如作为微控制器部件。相比之下，通常由六个晶体管构成的静态随机存取存储器(SRAM)需要外部电力来保持数据。类似地，通常包括一个晶体管和一个电容器的动态随机存取存储器(DRAM)也需要外部电力来保持和刷新数据。
[0005]当前，NVM的最常见形式是闪存存储器，其包括基于浮栅的存储器单元。NOR型闪存存储器通常用于存储代码，而NAND型闪存存储器通常用于存储数据。然而，闪存存储器具有各种限制和缺点。例如，闪存存储器在进一步减小大小方面面临困难。此外，闪存存储器通常需要高电压(通常约20V)用于编程和擦除。另外，与典型的CMOS处理流程相比，闪存存储器单元的生产通常需要若干附加光掩膜过程。
[0006]因此，近年来已经开发了其他类型的NVM存储器，包括电阻随机存取存储器(RRAM)。两种类型的RRAM是导电桥RRAM(CBRAM)和基于氧空位的RRAM(OxRRAM)。CBRAM存储器单元可包括两个固体金属电极，一个相对惰性(例如，钨)而另一个电化学活性(例如，银或铜)，其中固体电解质层位于两个电极之间。通过跨电解质层施加偏置电压来编程CBRAM存储器单元，该偏置电压使得离子在电解质层内的物理重新定位，该物理重新定位形成跨电解质层延伸的导电细丝。
[0007]图1A至图1E示出了示例性CBRAM，其中施加到银阳极的正偏置(程序)使得银离子迁移到硫化锗层(固体电解质层)中，形成将银阳极连接到钨阴极的导电细丝(称为导电桥)。与未编程的CBRAM存储器单元相比，导电细丝在形成时减小了阳极与阴极之间的电阻。相比之下，负偏置(擦除)使该过程反向。具体地，图1A示出了原始状态(或未使用)CBRAM器件，图1B至图1C示出了银阳极的氧化，以及Ag+阳离子朝向钨阴极的迁移和所导致的Ag+阳离子的还原，并且图1D示出了导致导电细丝的生长的Ag原子的累积。图1E示出了响应于相反极性的施加的细丝的溶解。
[0008]相比之下，在OxRRAM单元中，通过在布置在两个电极之间的固体电解质层中空位链的产生来形成导电桥。细丝/空位链的产生形成接通状态(电极之间的高导电性，即低电阻)，而细丝/空位链的溶解(通过施加具有焦耳加热电流的类似极性或相反极性但具有较小电流来实现)使电解质层回复到其非导电或高电阻断开状态。
[0009]相对于背景IC制造过程，CBAM和OxRRAM单元的构造通常需要至少一个附加光掩膜层，并且通常涉及用于电极形成的困难等离子体蚀刻过程(即，外来电极金属蚀刻)。需要以较低成本(例如，通过消除或减少添加的光掩膜层)和改进的制造过程(例如，通过消除对外来电极金属蚀刻的需要)来构建RRAM单元，例如，CBRAM或OxRRAM单元。

技术实现思路

[0010]本公开提供了RRAM单元(例如CBRAM和OxRRAM单元)和构造此类RRAM单元的方法。RRAM单元可包括形成在相邻金属互连层之间或有源层(例如，包括MOSFET器件)与金属互连层(例如，金属
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1层)之间的金属
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绝缘体
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金属(MIM)结构。该RRAM单元的该MIM结构可通过过程形成，该过程包括：在电介质区中形成桶开口；在该桶开口中形成杯形底部电极；在由该杯形底部电极限定的内部开口中形成杯形绝缘体；以及在由该杯形绝缘体限定的内部开口中形成顶部电极。该杯形底部电极或其部件(在多层底部电极的情况下)可与互连通孔同时形成，例如，通过钨或其他共形金属的沉积。在一些示例中，该RRAM单元可在不向背景集成电路制造过程(例如，典型CMOS制造过程)添加任何光掩膜过程的情况下形成。
[0011]一方面提供了一种形成集成电路结构的方法，该集成电路结构包括电阻随机存取存储器单元。该方法包括：在电介质区中形成桶开口；在该桶开口中形成杯形底部电极；在由该杯形底部电极限定的内部开口中形成杯形绝缘体；在由该杯形绝缘体限定的内部开口中形成顶部电极；以及在该电介质区上方形成上部金属层，该上部金属层包括与该顶部电极接触的顶部电极接触件。该杯形底部电极、该杯形绝缘体和该顶部电极限定该电阻随机存取存储器单元。
[0012]在一些示例中，该电阻随机存取存储器单元通过镶嵌过程形成。另外，在一些示例中，该电阻随机存取存储器单元是在不向背景集成电路制造过程添加任何光掩膜过程的情况下形成的。
[0013]在一些示例中，在该电介质区上方形成该上部金属层之前，使该顶部电极的顶部表面与该电介质区的顶部表面平面化，并且沉积包括电介质材料的扩散阻挡层以覆盖该顶部电极的经平面化的顶部表面。在一个示例中，在该电介质区上方形成该上部金属层包括蚀刻上部电介质层以形成用于形成该顶部电极接触件的顶部电极接触件开口，并且该扩散阻挡层在蚀刻期间充当蚀刻阻挡。
[0014]在一些示例中，该顶部电极包括银、铜或铂。
[0015]在一些示例中，该方法包括在该电介质区中同时形成该桶开口和通孔开口，以及沉积共形金属以同时在该桶开口中形成该杯形底部电极以及在该通孔开口中形成通孔。在一些示例中，在该电介质区上方形成该上部金属层包括同时形成与该顶部电极接触的该顶部电极接触件和与该通孔接触的上部互连元件。
[0016]在一些示例中，在该桶开口中形成该杯形底部电极包括沉积共形第一金属以与在该通孔开口中形成该通孔同时地在该桶开口中形成杯形底部电极外部部件，以及将共形第二金属沉积在该杯形底部电极外部部件上方以形成杯形底部电极内部部件。在一些示例中，该共形第一金属包括钨或钴，并且该共形第二金属包括铂。
[0017]在一些示例中，该电阻随机存取存储器单元包括导电桥接随机存取存储器单元。
[0018]在一些示例中，该杯形绝缘体包括GeS2、Al2O3或WO3。
[0019]在一些示例中，该电阻随机存取存储器单元包括基于氧空位的电阻随机存取存储器单元。
[0020]在一些示例中，该杯形底部电极包括铂。
[0021]在一些示例中，该杯形绝缘体包括Al2O3、Ta2O5或HfO2。
[0022]另一个方面提供了一种集成电路结构，该集成电路结构包括：电介质区，该电介质区包括桶开口；电阻随机存取存储器单元结构，该电阻随机存取存储器单元结构形成在该桶开口中并且包括杯形底部电极、杯形绝缘体和顶部电极；以及上部金属层，该上部金属层在该电介质区上方并且包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种形成包括电阻随机存取存储器单元的集成电路结构的方法，所述方法包括：在电介质区中形成桶开口；在所述桶开口中形成杯形底部电极；在由所述杯形底部电极限定的内部开口中形成杯形绝缘体；在由所述杯形绝缘体限定的内部开口中形成顶部电极；以及在所述电介质区上方形成上部金属层，所述上部金属层包括与所述顶部电极电接触的顶部电极接触件，所述杯形底部电极、所述杯形绝缘体和所述顶部电极限定所述电阻随机存取存储器单元。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻随机存取存储器单元通过镶嵌过程形成。3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述电阻随机存取存储器单元是在不向背景集成电路制造过程添加任何光掩膜过程的情况下形成的。4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，所述方法包括在所述电介质区上方形成所述上部金属层之前：使所述顶部电极的顶部表面与所述电介质区的顶部表面平面化；以及沉积扩散阻挡层以覆盖所述顶部电极的经平面化的顶部表面，所述扩散阻挡层包括电介质材料。5.根据权利要求4所述的方法，其中：在所述电介质区上方形成所述上部金属层包括蚀刻上部电介质层以形成用于形成所述顶部电极接触件的顶部电极接触件开口；并且所述扩散阻挡层在所述蚀刻期间用作蚀刻止挡件。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，所述方法包括：在所述电介质区中同时形成所述桶开口和通孔开口；以及沉积共形金属以同时在所述桶开口中形成所述杯形底部电极以及在所述通孔开口中形成通孔。7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述电介质区上方形成所述上部金属层包括同时形成与所述顶部电极电接触的所述顶部电极接触件和与所述通孔接触的上部互连元件。8.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷耀俭，
申请(专利权)人：微芯片技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：