本發(fā)明涉及非易失性存儲器，并且更具體地涉及電阻式隨機(jī)存取存儲器。

背景技術(shù)：

電阻式隨機(jī)存取存儲器(rram)是一種非易失性存儲器。通常，rram存儲器單元各自包括夾在兩個導(dǎo)電電極之間的電阻介電材料層。介電材料通常是絕緣的。然而，通過在電介質(zhì)層上施加合適電壓，可形成穿過介電材料層的導(dǎo)電路徑(通常稱為細(xì)絲)。細(xì)絲一旦形成，便可通過在介電層上施加適當(dāng)?shù)碾妷簩⑵洹皬?fù)位”(即，斷開或破裂，導(dǎo)致在rram單元上的高電阻狀態(tài))和置位(即，重新形成，導(dǎo)致在rram單元上的較低電阻狀態(tài))。低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)可用于根據(jù)電阻狀態(tài)來指示“1”或“0”的數(shù)字信號，從而提供可存儲一些信息的可編程非易失性存儲器單元。

圖1示出了rram存儲器單元1的常規(guī)配置。存儲器單元1包括夾在分別形成頂部電極3和底部電極4的兩個導(dǎo)電材料層之間的電阻介電材料層2。

圖2a至圖2d示出介電材料層2的切換機(jī)構(gòu)。具體地講，圖2a示出了在制造之后處于其初始狀態(tài)的電阻介電材料層2，其中層2表現(xiàn)出相對高的電阻。圖2b示出了通過在層2上施加合適電壓形成穿過層2的導(dǎo)電細(xì)絲7。細(xì)絲7是穿過層2的導(dǎo)電路徑，使得該層表現(xiàn)出在細(xì)絲上的相對低的電阻(由于細(xì)絲7的相對高的導(dǎo)電性)。圖2c示出了通過施加在層2上的“復(fù)位”電壓引起的細(xì)絲7中的破裂8的形成。破裂8的區(qū)域具有相對高的電阻，使得層2表現(xiàn)出在該區(qū)域上的相對高的電阻。圖2d示出了通過施加在層2上的“置位”電壓引起的破裂8的區(qū)域中細(xì)絲7的恢復(fù)?；謴?fù)的細(xì)絲7意味著層2表現(xiàn)出在該細(xì)絲上的相對低的電阻。分別處于圖2b和圖2d的“形成”或“置位”狀態(tài)下的層2的相對低的電阻可表示數(shù)字信號狀態(tài)(例如“1”)，而處于圖2c的“復(fù)位”狀態(tài)下的層2的相對高的電阻可表示不同的數(shù)字信號狀態(tài)(例如“0”)。rram單元1可重復(fù)地“復(fù)位”和“置位”，從而形成理想的可編程非易失性存儲器單元。

rram存儲器單元的缺點(diǎn)之一是形成細(xì)絲所需的電壓和電流相對高(并且可顯著高于置位和復(fù)位存儲器單元所需的電壓)。因此需要一種要求更低電壓和電流來形成單元細(xì)絲的rram存儲器單元。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

上述問題和需求由如下存儲器設(shè)備解決，該存儲器設(shè)備包括導(dǎo)電材料的第一電極、導(dǎo)電材料的第二電極和包括在銳角處彼此相交的第一細(xì)長部分和第二細(xì)長部分的過渡金屬氧化物材料層，其中第一細(xì)長部分和第二細(xì)長部分中的每一個設(shè)置在第一電極和第二電極之間并與其電接觸。

一種制造存儲器設(shè)備的方法包括形成導(dǎo)電材料的第一電極，形成導(dǎo)電材料的第二電極，以及形成過渡金屬氧化物材料層，該層包括在銳角處彼此相交的第一細(xì)長部分和第二細(xì)長部分，其中第一細(xì)長部分和第二細(xì)長部分中的每一個設(shè)置在第一電極和第二電極之間并與其電接觸。

一種編程和擦除存儲器設(shè)備的方法，該存儲器設(shè)備具有導(dǎo)電材料的第一電極、導(dǎo)電材料的第二電極和過渡金屬氧化物材料層，該層包括在銳角處彼此相交的第一細(xì)長部分和第二細(xì)長部分以及延伸穿過過渡金屬氧化物材料層的導(dǎo)電細(xì)絲，其中第一細(xì)長部分和第二細(xì)長部分中的每一個設(shè)置在第一電極和第二電極之間并與其電接觸。該方法包括通過施加在第一電極和第二電極上的第一電壓來使細(xì)絲破裂，使得過渡金屬氧化物材料層在第一電極和第二電極之間提供第一電阻，并且通過施加在第一電極和第二電極上的第二電壓來恢復(fù)破裂的細(xì)絲，使得過渡金屬氧化物材料層在第一電極和第二電極之間提供低于第一電阻的第二電阻。

通過查看說明書、權(quán)利要求書和附圖，本發(fā)明的其他目的和特征將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是常規(guī)的電阻式隨機(jī)存取存儲器(rram)單元的側(cè)剖視圖。

圖2a是常規(guī)rram單元的電阻介電層在制造之后處于其初始狀態(tài)的側(cè)剖視圖。

圖2b是常規(guī)rram單元的電阻介電層處于其形成狀態(tài)的側(cè)剖視圖。

圖2c是常規(guī)rram單元的電阻介電層處于其復(fù)位狀態(tài)的側(cè)剖視圖。

圖2d是常規(guī)rram單元的電阻介電層處于其置位狀態(tài)的側(cè)剖視圖。

圖3是本發(fā)明的電阻式隨機(jī)存取存儲器(rram)單元的側(cè)剖視圖。

圖4a至圖4c是示出形成rram單元的步驟的側(cè)剖視圖。

圖5a至圖5c是示出形成rram單元的替代實(shí)施例的步驟的側(cè)剖視圖。

圖6a是本發(fā)明的rram單元處于其初始狀態(tài)的側(cè)剖視圖。

圖6b是本發(fā)明的rram單元處于其形成狀態(tài)的側(cè)剖視圖。

圖6c是本發(fā)明的rram單元處于其復(fù)位狀態(tài)的側(cè)剖視圖。

圖6d是本發(fā)明的rram單元處于其置位狀態(tài)的側(cè)剖視圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是具有電極和電阻介電層的幾何增強(qiáng)的rram單元，其以降低形成單元導(dǎo)電細(xì)絲所需的電壓的方式配置。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在電阻介電層中兩個電極之間的點(diǎn)處提供銳角，顯著降低了有效形成細(xì)絲所需的電壓和電流。

圖3示出了本發(fā)明的rram存儲器單元10的總體結(jié)構(gòu)，其包括具有分別以直角相交的細(xì)長的第一部分12a和第二部分12b的電阻介電層12。具體地講，第一部分12a是細(xì)長的并且水平延伸，并且第二部分12b是細(xì)長的并且垂直延伸，使得兩個部分12a和12b在銳角12c處相交(即，電阻介電層12具有“l(fā)”形狀)。第一電極14設(shè)置在水平層部分12a的上方和垂直層部分12b的左側(cè)。第二電極16設(shè)置在水平層部分12a的下方和垂直層部分12b的右側(cè)。因此，第一層部分12a和第二層部分12b中的每一個均設(shè)置在電極14和16之間并與其電接觸。電極14和16可由諸如w、al、cu、ti、pt、tan、tin等的適當(dāng)導(dǎo)電材料形成，并且電阻介電層12由過渡金屬氧化物諸如hfox、taox、tiox、wox、vox、cuox或這些材料的多層等制成?；蛘?，電阻介電層12可為具有一層或多層過渡金屬氧化物子層的離散子層的復(fù)合層(例如層12可以是多層：設(shè)置在taox層和hfox層之間的hf層)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于銳角12c處增強(qiáng)的電場，在銳角12c處穿過層12形成細(xì)絲可以比電介質(zhì)層12為平面的情況下更低的電壓發(fā)生。

圖4a至圖4c示出了形成本發(fā)明的rram存儲器單元10和相關(guān)電路的步驟。該過程開始于在襯底18上形成選擇晶體管。該晶體管包括形成于襯底18中的源極區(qū)20/漏極區(qū)22和設(shè)置在其間的溝道區(qū)上并與之絕緣的柵極24。在漏極22上形成導(dǎo)電塊26和28以及導(dǎo)電插塞30，如圖4a所示。

導(dǎo)電材料層32形成于插塞30上(例如使用本領(lǐng)域公知的光刻技術(shù))。然后在導(dǎo)電材料層32的僅一部分上形成導(dǎo)電材料塊34。層32和塊34相交的拐角可以通過等離子體處理來削尖。然后，過渡金屬氧化物層36沉積在層32上和塊34的垂直部分上。之后是導(dǎo)電材料沉積和cmp回蝕刻以在層36上形成導(dǎo)電材料塊38。所得結(jié)構(gòu)示于圖4b中。

在導(dǎo)電塊38上形成導(dǎo)電插塞40。導(dǎo)電線(例如位線)42形成于插塞40上并連接到該插塞。所得結(jié)構(gòu)示于圖4c中。層32和塊34形成下電極16，層36形成電阻介電層12，并且塊38形成rram單元10的上電極14。

圖5a至圖5c示出了形成本發(fā)明的rram存儲器單元10和相關(guān)電路的替代實(shí)施例的步驟。該過程開始于按如上所述方式在襯底18上形成選擇晶體管(在襯底18中形成的源極區(qū)20/漏極區(qū)22，以及設(shè)置在其間的溝道區(qū)上并與之絕緣的柵極24)。在漏極22上形成導(dǎo)電塊44，如圖5a所示。

在塊44上形成導(dǎo)電材料層46。過渡金屬氧化物層48沿著塊46的一個垂直側(cè)表面并且遠(yuǎn)離塊46沉積在塊46上。隨后通過沉積和cmp回蝕刻而形成導(dǎo)電材料層50。所得結(jié)構(gòu)示于圖5b中。因此，存在材料46的尖銳尖端拐角46a，其指向?qū)?8/50的另一尖銳尖端拐角交叉部。這增強(qiáng)了頂部拐角46a處的局域場，從而降低了所需的形成電壓。

在導(dǎo)電層50上形成導(dǎo)電插塞52。導(dǎo)電線(例如位線)54形成于插塞52上并連接到該插塞。所得結(jié)構(gòu)示于圖5c中。層46形成下電極16，層48形成電阻介電層12，并且層50形成rram單元10的上電極14。

作為非限制性例子，圖6a中示出了處于其原始狀態(tài)的rram單元10。電極14和16由cu形成，并且電阻介電層12由hfox形成。為了形成穿過如圖6b所示的銳角12c的導(dǎo)電細(xì)絲56，在電極14和16上施加約3-6v的電壓差。為了通過在細(xì)絲56中形成破裂58來復(fù)位rram單元10，如圖6c所示，施加在電極14和16上的約1-4v的電壓差。為了通過去除細(xì)絲56中的破裂58來置位rram單元10，如圖6d所示，施加在電極16和14上的約1-4v的電壓差(即，相對于形成和復(fù)位電壓為反極性)。

應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于上述的和在本文中示出的實(shí)施方案，而是涵蓋落在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的任何和所有變型形式。舉例來說，本文中對本發(fā)明的提及并不意在限制任何權(quán)利要求或權(quán)利要求術(shù)語的范圍，而是僅參考可由這些權(quán)利要求中的一項(xiàng)或多項(xiàng)權(quán)利要求涵蓋的一個或多個特征。上文所述的材料、工藝和數(shù)值的例子僅為示例性的，而不應(yīng)視為限制權(quán)利要求。另外，根據(jù)權(quán)利要求和說明書顯而易見的是，并非所有方法步驟都需要以所示出或所聲稱的精確順序執(zhí)行，而是需要以允許本發(fā)明的rram存儲器單元的適當(dāng)形成的任意順序來執(zhí)行。最后，單個材料層可以被形成為多個這種或類似材料層，反之亦然。

應(yīng)當(dāng)指出的是，如本文所用，術(shù)語“在…上面”和“在…上”均包括性地包括“直接在…上”(之間沒有設(shè)置中間材料、元件或空間)和“間接在…上”(之間設(shè)置有中間材料、元件或空間)。類似地，術(shù)語“相鄰”包括“直接相鄰”(之間沒有設(shè)置中間材料、元件或空間)和“間接相鄰”(之間設(shè)置有中間材料、元件或空間)，“被安裝到”包括“被直接安裝到”(之間沒有設(shè)置中間材料、元件或空間)和“被間接安裝到”(之間設(shè)置有中間材料、元件或空間)，并且“被電耦接到”包括“被直接電耦接到”(之間沒有將元件電連接在一起的中間材料或元件)和“被間接電耦接到”(之間有將元件電連接在一起的中間材料或元件)。例如，“在襯底上方”形成元件可包括在兩者間無中間材料/元件的情況下直接在襯底上形成該元件，以及在兩者間有一種或多種中間材料/元件的情況下間接在襯底上形成該元件。