[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件，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。

背景技术

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1T1R RRAM单元的改进及其制造方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的另一方面，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。

根据本发明的又一方面，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。