[发明专利]半导体元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明是有关于一种整合电阻式随机存取存储器(RRAM)与动态随机存取存储器(DRAM)的半导体元件及其制造方法。

背景技术

目前的存储器可分为两大类型。其中一种类型的存储器称为工作存储器，其可以快速读取与写入且具有很好的耐久性(endurance)，这一类型的存储器例如是静态随机存取存储器(SRAM)以及动态随机存取存储器(DRAM)。另一种类型的存储器具有非挥发特性，所存入的数据在断电后也不会消失，这一类型的存储元件例如是闪存存储器。对于高密度存储器的应用，以动态随机存取存储器来做为操作存储器是最佳的选择。然而，由于其工艺较为复杂，因此将动态随机存取记忆以及闪存存储器整合一个芯片的工艺的成本非常高。

电阻式随机存取存储器（resistive random access memory，RRAM）是目前积极发展的一种下一世代非易失性存储器。电阻式随机存取存储器是一种简单的金属-绝缘-金属(MIM)结构，可以通过额外的两个罩幕步骤整合到后段的金属工艺。然而，这种方式所形成的电阻式随机存取存储器，可能会因为金属内连线的间距过大，而导致存储单元尺寸增加的问题，并且还会增加额外的工艺成本。

发明内容

本发明的目的在于提出一种半导体元件，可以通过简单的工艺将电阻式随机存取存储器与动态随机存取存储器整合在单一个芯片上。

本发明提出一种半导体元件，可以提升将电阻式随机存取存储器与动态随机存取存储器整合在单一个芯片上的电阻式随机存取存储器的切换特性。

本发明提出一种半导体元件的制造方法，可以整合电阻式随机存取存储器与动态随机存取存储器的工艺，且不会增加过多的工艺成本。

本发明提出一种RRAM存储单元，其具有小于动态随机存取存储器的尺寸。

本发明提出一种RRAM存储单元的制造方法，其可以与动态随机存取存储器的工艺整合。

本发明提出一种半导体元件，包括基底、绝缘层、DRAM电容器与RRAM存储单元。基底包括DRAM晶胞区与RRAM晶胞区。绝缘层位于基底上，在DRAM晶胞区上具有第一开口，且在RRAM晶胞区上具有第二开口。DRAM电容器位于DRAM晶胞区上的绝缘层的第一开口中。RRAM存储单元位于RRAM晶胞区上的绝缘层的第二开口中。DRAM电容器的第一电极的尺寸大于RRAM存储单元的第二电极的尺寸。

本发明提出一种半导体元件的制造方法，包括提供基底。基底包括DRAM晶胞区与RRAM晶胞区。于基底上形成绝缘层，覆盖DRAM晶胞区与RRAM晶胞区。在上述DRAM晶胞区上的绝缘层中形成第一开口，且在RRAM晶胞区上的绝缘层中形成第二开口。于第一开口的底部与侧壁形成第一电极。于第二开口中形成第二电极。上述第二电极的尺寸小于第一电极的尺寸，且第二电极覆盖第二开口的底部以及第一部分侧壁，裸露第二开口的第二部分侧壁。于DRAM晶胞区的第一开口中的第一电极以及绝缘层上形成第一介电层。于RRAM晶胞区的第二电极以及第二开口的第二部分侧壁以及绝缘层上形成第二介电层。于第一介电层上形成第三电极。于第二介电层上形成第四电极。第一电极、第一介电层与第三电极组成DRAM电容器，而第二电极、第二介电层以及第四电极组成RRAM存储单元。

依据本发明一实施例所述，上述形成第一电极与形成第二电极的步骤包括在上述基底上形成电极材料层，覆盖上述DRAM晶胞区与上述RRAM晶胞区的上述绝缘层以及上述第一开口以及上述第二开口的侧壁与底部。于上述基底上形成牺牲层，覆盖上述DRAM晶胞区与上述RRAM晶胞区的上述电极材料层，并填满上述第一开口与上述第二开口。移除上述DRAM晶胞区与上述RRAM晶胞区的上述绝缘层上的上述牺牲层与上述电极材料层，裸露出上述绝缘层的表面。在上述基底上形成罩幕层，覆盖上述DRAM晶胞区。以上述罩幕层为罩幕，移除上述第二开口中的部分牺牲层，使上述第二开口中的上述牺牲层的高度低于上述第一开口中的上述牺牲层的高度。以上述罩幕层以及上述牺牲层为罩幕，回蚀刻上述第二开口中的上述电极材料层，留在上述第二开口中的上述电极材料层形成上述第二电极，留在上述第一开口中的上述电极材料层形成上述第一电极。移除上述罩幕层。移除上述牺牲层，裸露出上述第一电极以及上述第二电极与上述第二开口的上述第二部分侧壁。

本发明的半导体元件与制造方法将电阻式随机存取存储器与动态随机存取存储器整合在单一个芯片上。

本发明的半导体元件，可以提升将电阻式随机存取存储器与动态随机存取存储器整合在单一个芯片上的电阻式随机存取存储器的切换特性。