[发明专利]具有多等级单元的无形成电阻式随机存储器的结构和方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求于2012年6月15日提交的美国临时专利申请第61/660,116号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地来说，涉及多等级电阻式随机存取存储器单元。

背景技术

在集成电路（IC）器件中，对于下一代非易失性存储器来说，电阻式随机存取存储器（RRAM）是新兴技术。RRAM是包括RRAM单元阵列的存储器结构，每个RRAM单元均使用电阻值而不是电荷来存储数据位。具体地，每个RRAM单元都包括电阻材料层，可以调节其电阻来表示逻辑“0”或逻辑“1”。在高级技术节点中，部件尺寸按比例减小，存储器件的尺寸也相应减小。然而，由于“形成（forming）”操作，RRAM器件的减小程度受到限制。在“形成”工艺中，对RRAM器件施加高电压以在DRRAM器件的电阻材料层中生成导电路径。高“形成”电压引起可靠性问题。而且，RRAM器件操作期间的大电流导致高功耗以及可靠性问题，这是因为大电流意味着大电流密度。为了降低电流密度，RRAM器件的尺寸需要足够大，而这会以电路封装密度为代价。

因此，期望提供一种没有上述缺点的改进RRAM结构及其制造方法。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种用于操作多等级电阻式随机存取存储器（RRAM）单元的方法，所述多等级电阻式随机存取存储器单元具有连接在一起的电流控制器件和RRAM器件，所述方法没有“形成”步骤，并且包括通过将所述电流控制器件控制为一个电流等级来将所述RRAM器件设定为一个电阻等级，其中，设定所述RRAM器件包括对所述RRAM器件的顶部电极施加第一电压以及对所述RRAM器件的底部电极施加第二电压，所述第二电压高于所述第一电压。

在该方法中，设定所述RRAM器件包括对所述RRAM器件施加第一极性的设定电压。

该方法进一步包括通过施加与所述第一极性相反的第二极性的重置电压来重置所述RRAM器件。

在该方法中，所述第一极性是从所述顶部电极至所述底部电极；以及所述设定电压限定为所述第二电压和所述第一电压之间的差值。

在该方法中，将所述RRAM器件设定为一个电阻等级包括将所述RRAM器件的所述顶部电极接地。

在该方法中，所述第一电压等于或高于V_set。

在该方法中，重置所述RRAM器件包括：将所述RRAM单元的顶部电极偏置为高电压；以及将所述RRAM单元的底部电极偏置为低电压。

在该方法中，重置所述RRAM器件包括将所述RRAM器件的底部电极接地。

在该方法中，所述第二电压被限定为所述高电压和所述低电压之间的差值，其中，所述第二电压等于或高于V_stop。

该方法进一步包括通过对所述RRAM器件施加所述第一极性的第三电压来读取所述RRAM器件。

在该方法中，所述第三电压小于所述第一电压。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造电阻式随机存取存储器（RRAM）结构的方法，包括：在衬底上形成电流控制器件；以及形成RRAM器件，所述RRAM器件被设置成与所述电流控制器件连接，形成所述RRAM器件进一步包括：形成底部电极；在所述底部电极上形成介电材料层；实施缺陷工程处理（DET）工艺；以及在所述介电材料层上形成顶部电极。

在该方法中，所述DET工艺包括在约200℃至约500℃的范围内的处理温度下对所述RRAM结构施加NH₃气体。

在该方法中，所述DET工艺包括施加从由NH₃、N₂、O₂、O₃、H₂O、Cl₂、Ar、CF₄、H₂、N₂O、SiH₄、CF₄和它们的组合所组成的组中选择的气体。

在该方法中，实施所述DET工艺包括在形成所述介电材料层之前对所述底部电极实施所述DET工艺。

该方法进一步包括：在形成所述顶部电极之前在所述介电材料层上形成保护层。

在该方法中，实施所述DET工艺包括：在形成所述保护层之前对所述介电材料层实施所述DET工艺。