[发明专利]低漏泄电阻式随机存取存储器单元及其制造工艺

说明书

一种电阻式随机存取存储器器件在第一金属层与第二金属层之间的集成电路中形成并且包括：被布置在第一金属层之上的第一势垒层，被布置在第一势垒层之上的隧穿电介质层，被布置在隧穿电介质层之上的固体电解质层，被布置在固体电解质层之上的离子源层，以及被布置在离子源层之上的第二势垒层。

背景

1.发明领域

本发明涉及半导体技术。具体而言，本发明涉及存储器单元技术以及电阻式随机存取存储器单元技术。本发明涉及低漏泄电阻式随机存取存储器(ReRAM)单元。

2.现有技术

ReRAM推挽存储器单元由于其小尺寸和可缩放性而成为用于高级现场可编程门阵列(FPGA)集成电路的有吸引力的配置存储器。ReRAM存储器器件和从那些器件配置的存储器单元的示例在美国专利No.8,415,650中公开。

ReRAM器件基本上是由固体电解质分开的两个金属板，其中一个金属板用作金属离子源。固体电解质具有两个状态。在第一状态(“导通”状态)中，通过以下操作迫使来自金属离子源的离子进入电解质：跨ReRAM器件施加具有第一极性并且具有足以将来自离子源板的金属离子驱动到电解质中的电势的DC电压。在第一状态中，离子形成通过固体电解质的导电桥，电子可以相当容易地跨过该导电桥。随着电解质变得被越来越多的金属离子填充，它的电阻率以及因此整个ReRAM器件的电阻率减小。在第二状态(“关断”状态)中，通过施加具有与第一电势的极性相反的极性以及足以驱动金属离子从电解质跨ReRAM器件返回到离子源板的电势的DC电压，电解质几乎已被耗尽了离子。在第二状态中，离子的缺失使得电子难以通过固体电解质。随着电解质中金属离子的群体减少，电解质的电阻率以及因此整个ReRAM器件的电阻率减小。非晶硅是固体电解质并且它是当今用于ReRAM器件的主导候选。

通常在推挽配置中采用ReRAM器件以形成如图1中所示的ReRAM存储器单元。ReRAM存储器单元10包括第一ReRAM器件12，该第一ReRAM器件12与第二ReRAM器件14串联。在图1中所示的ReRAM单元符号中，ReRAM器件的较宽(底)端是最靠近其离子源的一端。跨ReRAM器件施加的其正电势在ReRAM器件的较窄(顶)端的电压将擦除该器件，即，将该器件设置为其“关断”状态，并且跨ReRAM器件施加的其正电势在ReRAM器件的较宽(底)端的电压将对该器件编程，即，将该器件设置为其“导通”状态。

ReRAM器件12和14在一对互补位线(BL)16(BL！)18之间串联连接。本领域普通技术人员将领会，施加于(BL)16和(BL！)18的电势值将因变于特定的特征尺寸和所采用技术的其他方面来选择。在ReRAM器件的操作模式期间施加于(BL)16和(BL！)18的典型电压分别是1.5V和0V。

在操作中，ReRAM器件12和14中的一者将被设置为其“导通”状态，并且另一者将被设置为其“关断”状态。取决于ReRAM器件12和14中的哪一个“导通”并且哪一个“关断”，开关节点20将被上拉到BL 16上的电压或被下拉到BL！18上的电压。

开关晶体管22的栅极耦合到开关节点20。开关晶体管的漏极连接到第一可编程节点24并且开关晶体管的源极连接到第二可编程节点26。第一可编程节点24可以通过导通开关晶体管22来连接到第二可编程节点26。

如果ReRAM器件12处于其“导通”状态，并且ReRAM器件14处于其“关断”状态，则开关节点20被上拉到BL 16上的电压，并且开关晶体管22将被导通。如果ReRAM器件12处于其“关断”状态并且ReRAM器件14处于其“导通”状态，则开关节点20被下拉到BL！18上的电压，并且开关晶体管22将被关断。本领域普通技术人员将注意到，(BL)16与(BL！)18之间的整个电势将跨ReRAM器件12和14中处于“关断”状态的ReRAM器件存在。