CN100568532C - 存储单元及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种存储单元，包括：至少源电极(MS)，形成在基板上(6)；至少漏电极(MD)，形成在该基板上(6)；至少耦合层(1)，形成在该源电极(MS)和该漏电极(MD)之间，和至少栅电极(MG)，形成在基板上，其中：该耦合层(1)包括过渡金属氧化物，表现出填充受控的金属绝缘体转换特性；该栅电极(MG)包括氧离子导体层(2)，和相对于该耦合层(1)布置该栅电极(MG)使得对该栅电极(MG)使用电信号引起该耦合层(1)中氧空位(3)浓度的改变。本发明还涉及一种存储单元的制造方法。

Description

存储单元及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种可编程电阻存储单元、其制造方法和一种结合这种存储单元的非易失性存储器件。
背景技术
双稳态器件或电路应用于存储器件和大量其它的应用。例如，对于在存储中储存一个比特信息，能够使用双稳态器件，其在至少两个不同且持久的态之间可切换。当写入逻辑“1”到器件中时，其被驱动为两个持久态之一而当写入逻辑“0”或擦除逻辑“1”时，器件被驱动为两个不同态中的另一个。在器件运行中每个态都持续到下一步的写入信息到器件中或擦除信息。
快速可擦除可编程只读存储器(FEPROM，也称为闪存)应用在半导体器件中且提供快速块擦除操作。典型地，相对于所知的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)的每个存储单元有两个晶体管，闪存在每个存储单元中只使用一个晶体管。因此，闪存比EEPROM在半导体器件上占有更少的空间且生产更便宜。然而，半导体器件的进一步节省空间的组件和用于生产这种器件的节省成本的制造技术的发展还在继续。
达到那样的目标，用于半导体器件的具有双稳态电阻的材料的应用已经得到研究。通过施加适当的电信号到材料上能够可逆地改变材料的电阻态。这些电信号应该比给定的临界值VT大且比给定的时间t长。通过施加其它信号能够读取或分析材料的电阻态，如果这些信号比VT小很多则不会破坏导电态。
过渡金属氧化物是材料中的一类，其能够被调节使得它们表现出理想的双稳态电阻。以过渡金属氧化物为基础的非易失性两终端存储器件已经被公开。这种器件的例子在US6815744中给出。三终端存储器件的例子已在US7130212B2中给出。
为了可进行在电阻态之间的切换，过渡金属氧化物经历了调节工艺，其包括使过渡金属氧化物在充足的周期时间中经历适当的电信号，这可通过将电信号施加于接触过渡金属氧化物层的电极而进行，如上文所讨论。调节工艺在过渡金属氧化物中产生了被限制的导电区域，该过渡金属氧化物在两个或更多电阻态之间能够可逆地转换。
上文所述的器件的一些缺陷与调节工艺有关。这是因为，调节工艺不仅费时，它要求结合到这种器件中的每个单元。此外，由调节工艺产生的被限制的导电区域出现在介电材料中的任意位置，也就是，通过精确定义的工艺参数不可控制导电路线的位置。这可导致观察到这种器件的电性能方面的大改变，否则它们应为标称上同样的。
因此，理想的是提供可编程的电阻存储单元，其减轻和/或消除与所知的可编程的电阻存储单元有关的缺陷。
发明内容
依照本发明的第一方面的一实施例，提供了一种存储单元包括：至少源电极，形成在基板上；至少漏电极，形成在基板上；至少耦合层，在源电极和漏电极之间，且至少栅电极，形成在基板上，其中：耦合层包括过渡金属氧化物，表现出填充受控的金属绝缘体转换特性；栅电极包括氧离子导体层，和相对于耦合层1布置栅电极使得对栅电极使用电信号引起耦合层中氧空位浓度的改变。在本发明的一实施例中，施加于栅电极的电信号引起氧空位从氧离子导体层迁移到耦合层。这改变了过渡金属氧化物中过渡金属离子的正常氧化态并且伴随着填充过渡金属能带。因此，当电信号施加于栅电极时，耦合层由具有本质的绝缘特性转变为导体且反之亦然。所以，在本发明一实施例中，通过对栅电极使用电信号，耦合层的电阻在至少两个不同且持久的电阻态之间可逆地转换。更特别地，在本发明的一实施例中，在不以用于前面提到的器件的调节工艺为开始的情况下可以完成电阻转换并且因此不具备上文讨论的与调节工艺相关的缺点。此外，通过对栅电极使用电信号设置的耦合层的电阻态持续到对栅电极再次使用电信号，即电信号不需要不断地施加于栅电极用于设置且理想的电阻设置为持续，因此本发明的一实施例提供了比前面提到的器件运行能量低的优点。与本发明的一实施例相关的另一优点为可实现每单元多层、多比特存储。
优选地，氧离子导体层包括表现出氧空位迁移率至少10-9cm2/VS的材料。选择氧离子导体层的材料以表现出高氧空位迁移率即至少10-9cm2/VS反映为氧空位从氧离子导体层迁移到耦合层的减少的时间，且因此，反映为当电信号施加于栅电极时耦合层的电阻态从耦合层本质上为绝缘时的关态转换为导通电流的开态或反之亦然的减少的时间。
理想地，相对于耦合层的栅电极的排布为氧离子导体层形成在耦合层上。在这种情况下，由于氧离子导体层直接形成在耦合层上，有利于氧空位迁移到耦合层中。
理想地，栅电极还包括阻隔层，其形成在氧离子导体层上，阻隔层包括不可渗透和/或对氧化学惰性的材料。由于阻隔层的材料选择为不可渗透和/或对氧化学惰性，所以氧空位基本导向耦合层的方向，这样有利于耦合层转换电阻。
优选地，氧离子导体层包括以下材料之一：萤石型氧化物、具有本征和/或非本征空位的钙钛矿、Aurivillius型氧化物和烧绿石。用于氧离子导体层的材料的具体例子包括：具有非本征氧化物离子空位的萤石型氧化物例如钇和/或钪稳定的氧化锆(ZrO2)1-x((Y，Sc)2O3)x具有x＝0至0.9、钆掺杂的二氧化铈(Ce，Gd)O2-x具有x＝0至0.5、具有本征和/或非本征空位的钙钛矿例如镧锶镓镁氧化物(La，Sr)(Ga，Mg)O3-x具有x＝0至0.5、钡铟氧化物BaInO3-x具有x＝0至0.5、锂镧钛氧化物(Li，La)TiO3-x具有x＝0至0.5、Aurivillius型氧化物例如铋钒钛铜氧化物Bi4(V，Ti，Cu)2O11-x具有x＝0至2、烧绿石例如钆锆钛氧化物Gd2(Zr，Ti)2O7和氧化物例如镧钼氧化物La2Mo2O9。
理想地，过渡金属氧化物包括：钒和/或铬氧化物、镍氧化物、锶钛氧化物、镧钛氧化物、钇和/或钙钛氧化物、镧和/或锶锰氧化物、或镨和/或钙锰氧化物。在这一点上，材料的例子包括：钙钛矿例如锶钛氧化物SrTiO3-x具有x＝0至0.5、镧钛氧化物LaTiO3+x具有x＝0至0.2、钇钙钛氧化物(Y，Ca)TiO3-x具有x＝0至0.5、镧锶锰氧化物(La，Sr)MnO3-x具有x＝0至0.5、镨钙锰氧化物(Pr，Ca)MnO3、刚玉例如钒铬氧化物(V，Cr)2O3-x或镍氧化物NiOx具有x＝0.8至1。
依照本发明的第二方面的一实施例，提供了一种非易失性存储器件，其包括至少一个依照本发明的第一方面的一实施例的存储单元。如上文所述的存储单元的优点特征和/或特性也由结合了这种存储单元的非易失性存储器件表现出来。
还提供了相应的方法方面，且由此依照本发明的第三方面的一实施例提供了一种存储单元的制造方法，包括如下步骤：在基板上形成至少源电极；在基板上形成至少漏电极；在源电极和漏电极之间形成至少耦合层，且在基板上形成至少栅电极，其中：在形成耦合层的步骤中，耦合层的材料选择为包括表现出填充受控的金属绝缘体转换特性的过渡金属氧化物；在形成栅电极的步骤中，形成栅电极使得包括氧离子导体层，和相对于耦合层布置栅电极使得对栅电极使用电信号引起耦合层中氧空位浓度的改变。
任意器件特征可用于发明的方法方面且反之亦然。本发明的一个方面的特征可用于发明的另一方面。任何公开的实施例可以与所示和/或所述的一个或几个其它的实施例结合。这对实施例的一个或更多特征也是可行的。
附图说明
以例子的方式参考附图，其中：
图1示意性说明本发明的一实施例；
图2A和2B示意性说明本发明的一实施例的原理，和
图3示意性说明本发明的方法方面的一实施例。
具体实施方式
在描述中，相同的参考数字或标识用于指代相同或相似的部分。
现在参考图1，示意性说明本发明的一实施例。如由图1能看到，在本发明的一实施例中，提供了具有三个终端的存储单元：源电极MS、漏电极MD和栅电极MG，所有这些都形成在基板6上。基板6可以例如适合CMOS技术且由二氧化硅(SiO2)制成。以相对于彼此横向地布置而示出的源电极MS和漏电极MD通过耦合层1连接，该耦合层1选择为包括表现出填充受控的(filling-controlled)金属绝缘体转换特性的过渡金属氧化物。形成栅电极MG使得包括氧离子导体层2。通过氧离子导体层，其意味着该层包括能够存储和/或传导氧离子的材料。相对于耦合层1布置栅电极MG使得对应于源电极MS的施加电信号给栅电极MG引起了从氧离子导体层2到耦合层1中的氧离子迁移且反之亦然。施加给栅电极MG的电信号引起氧空位3从氧离子导体层2迁移到耦合层1中。这改变了过渡金属氧化物中过渡金属的正常的氧化态且伴随着过渡金属能带的填充。因此，当电信号施加到栅电极上时，耦合层1由具有本质的绝缘特性转变为导体或反之亦然。通过例如在源电极MS和漏电极MD之间施加电势且测量其间的电流量可以探测这个转变。因此，在本发明的一实施例中，通过施加电信号到栅电极MG，耦合层1的电阻在至少两个不同且持久的电阻态之间可逆地转换。更特别地，在本发明的一实施例中，在不开始用于前面提到的器件的调节工艺的情况下可以完成电阻转换，因此不遭受与调节工艺有关的缺点。
现在参考图2A和2B，示意性说明本发明的一实施例的原理。图2A描绘当耦合层1在关态也就是其具有本质的绝缘性能时的情景。图2B描绘当电信号施加到栅电极MG时的情景。如由图2B能够清楚的看到，这引起了氧空位3从氧离子导体层2到耦合层1中的迁移。这改变了过渡金属氧化物中过渡金属离子的正常氧化态且伴随着过渡金属能带的填充，其引起耦合层1的性能从绝缘转换为导电。当然，相反的情况也能够那样进行，当电信号施加到栅电极时，由于耦合层1的材料的适当的选择，耦合层能够从开态转换为关态。这样，耦合层1的电阻态能够得到转换。对于耦合层1从关态到开态的转换或反之亦然，为了减小持续时间，选择氧离子导体层2使得包括一种材料，其表现出氧空位3的高迁移率，也就是至少10-9cm2/VS。
为了帮助氧空位3到耦合层1中的导入，在本发明的一实施例中，栅电极MG设有额外的特征，其包括形成在氧离子导体层2上的阻隔层4，在远离耦合层1的表面的垂直方向上。阻隔层4的材料选择为不可渗透和/或对氧化学惰性。因此，氧空位3基本上导向耦合层1的方向，而没有迁移到栅电极MG的其它区域而丢失，这样有利于耦合层1的电阻转换。
在图1中，显示出栅电极MG相对于耦合层1得到布置使得氧离子导体层2形成在耦合层1上，也就是栅电极MG横向安置在源电极MS和漏电极MD之间。当然，本发明的一实施例没有限制于栅电极MG的这种排布，且事实上，本发明包含了相对于耦合层1的栅电极MG的所有那些排布，其允许氧空位3从氧离子导体层2到耦合层1中的迁移，当电信号施加到栅电极MG时。
在本发明的一实施例中，氧离子导体层2选择为包括具有非本征氧化物离子空位的萤石型氧化物，例如钇和/或钪稳定的氧化锆(ZrO2)1-x((Y，Sc)2O3)x具有x＝0至0.9，或钆掺杂的二氧化铈(Ce，Gd)O2-x具有x＝0至0.5。可选地，可以采用具有本征和/或非本征空位的钙钛矿例如镧锶镓镁氧化物(La，Sr)(Ga，Mg)O3-x具有x＝0至0.5、钡铟氧化物BaInO3-x具有x＝0至0.5、锂镧钛氧化物(Li，La)TiO3-x具有x＝0至0.5、Aurivillius型氧化物(奥瑞维列斯型氧化物)例如铋钒钛铜氧化物Bi4(V，Ti，Cu)2O11-x具有x＝0至2、烧绿石例如钆锆钛氧化物Gd2(Zr，Ti)2O7和氧化物例如镧钼氧化物La2Mo2O9。
对于耦合层1中的过渡金属氧化物，选择钙钛矿例如(La，Sr)MO3-x其中M为3d过渡金属元素和x＝0至0.5，因为它们的室温电阻依赖氧的化学计量。母系钙钛矿化合物LaMO3和SrMO3为莫特或电荷转移绝缘体，并且在例如与氧空位3有关的改变能带填充的情况下，得到金属态。
能够用于耦合层1的过渡金属氧化物的其它例子包括钙钛矿例如锶钛氧化物SrTiO3-x具有x＝0至0.5、镧钛氧化物LaTiO3+x具有x＝0至0.2、钇钙钛氧化物(Y，Ca)TiO3-x具有x＝0至0.5、镨钙锰氧化物(Pr，Ca)MnO3，刚玉例如钒铬氧化物(V，Cr)2O3-x或镍氧化物NiOx具有x＝0.8至1。
本发明还延伸到包括至少一个依照本发明一实施例和如上文所述的存储单元的非易失性存储器件。
现在参考图3，示意性说明依照本发明一实施例的一种方法。在步骤S1中，至少源电极MS形成在基板6上。在步骤S2中，漏电极MD形成在基板6上。在步骤S3中，耦合层1形成在源电极MS和漏电极MD之间。在步骤S4中，栅电极MG形成在基板6上。在形成耦合层1的步骤中，即步骤S3中，耦合层1的材料选择为包括过渡金属氧化物，其表现出填充受控的金属绝缘体转换特性。在形成栅电极MG的步骤中，即步骤S4中，形成栅电极MG使得包括氧离子导体层2，和相对于耦合层1布置栅电极MG使得对栅电极MG使用电信号引起耦合层1中氧空位3浓度的改变。
依照本发明一实施例的方法不限于实施一次，即在完成步骤S4之后，工艺可循环回该方法的开始且步骤S1至S4可以反复进行，由此依照本发明一实施例生产多层存储单元。任意步骤S1或S4都能够并行或不保持严格的顺序进行。任何普通技术人员所知的适当的技术都能用于这些步骤。如上文所述依照本发明一实施例，对应于存储单元中的特征，参考图3所述的方法能够用附加的步骤补充。
如上文所述由本发明一实施例提供的优于FEPROM器件的一些优点包括：可测量性、每个单元多级存储、RAM能力和CMOS兼容性。在本发明一实施例中，不使用双极电压-这与所知的两终端器件相反，在该器件中由于这种特征，以串联引入二极管会引发问题。
在本发明一实施例中，耦合层1的电阻态持续即保持稳定直到通过对栅电极MG使用电信号将其转换。
已经纯以实例的方式描述了本发明且在本发明的范围内可以作出细节的修改。
说明书、以及(在适当的地方)权利要求书和附图中公开的每一特征可独立地或以任意适当的结合的方式提供。

Claims (8)

1.一种存储单元，包括：
至少源电极(MS)，形成在基板(6)上；
至少漏电极(MD)，形成在该基板(6)上；
至少耦合层(1)，在该源电极(MS)和该漏电极(MD)之间，和
至少栅电极(MG)，形成在该基板(6)上，
其中：
该耦合层(1)包括表现出填充受控的金属绝缘体转换特性的过渡金属氧化物；
该栅电极(MG)包括氧离子导体层(2)，和
相对于该耦合层(1)布置该栅电极(MG)使得对该栅电极(MG)使用电信号引起该耦合层(1)中氧空位(3)浓度的改变。
2.如权利要求1中所要求的一种存储单元，其中该氧离子导体层(2)包括表现出至少10-9cm2/VS的氧空位(3)迁移率的材料。
3.如权利要求1或2所要求的一种存储单元，其中相对于该耦合层(1)的该栅电极(MG)的排布为在该耦合层(1)上形成该氧离子导体层(2)。
4.如权利要求1所要求的一种存储单元，其中该栅电极(MG)还包括形成在该氧离子导体层(2)上的阻隔层(4)，该阻隔层(4)包括不可渗透和/或对氧化学惰性的材料。
5.如权利要求1所要求的一种存储单元，其中该氧离子导体层(2)包括下述之一：萤石型氧化物、具有本征和/或非本征空位的钙钛矿、奥瑞维列斯型氧化物和烧绿石。
6.如权利要求1所要求的一种存储单元，其中过渡金属氧化物包括：钒和/或铬氧化物、镍氧化物、锶钛氧化物、镧钛氧化物、钇和/或钙钛氧化物、镧和/或锶锰氧化物、或镨和/或钙锰氧化物。
7.非易失性存储器件，包括至少一个如任一前面的权利要求所要求的存储单元。
8.一种存储单元的制造方法，包括如下步骤：
在基板(6)上形成至少源电极(MS)；
在该基板(6)上形成至少漏电极(MD)；
在该源电极(MS)和该漏电极(MD)之间形成至少耦合层(1)，和
在该基板(6)上形成至少栅电极(MG)，
其中：
在形成该耦合层(1)的步骤中，该耦合层(1)的材料选择为包括表现出填充受控的金属绝缘体转换特性的过渡金属氧化物；和
在形成该栅电极(MG)的步骤中，形成该栅电极(MG)使得包括氧离子导体层(2)，且相对于该耦合层(1)布置该栅电极(MG)使得对该栅电极(MG)使用电信号引起该耦合层(1)中氧空位(3)浓度的改变。
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