CN101958335B - 相变随机存取存储器及制造方法、编程方法 - Google Patents
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Abstract
一种相变随机存取存储器及制造方法、编程方法。所述相变随机存取存储器包括：开关器件及连接所述开关器件的数据存储器，所述数据存储器包括下电极、下电极上的电阻层、电阻层上的上电极，其中，所述电阻层的材料至少包括第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物，所述第二相变金属的电负性数值小于所述第一相变金属，所述上电极和下电极采用电负性数值小于所述第一相变金属的金属，或者采用贵金属。对所形成的相变随机存取存储器进行编程时，只需改变电阻层中一种相变金属氧化物就可实现复位或置位。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及相变随机存取存储器及制造方法、编程方法。
背景技术
对相变随机存取存储器(PRAM，Phase change RAM)而言，可以通过对其中记录有数据的电阻层进行加电来改变存储器的值。构成电阻层的相变材料会由于所施加电流的加热效果而进入结晶状态或非晶状态。当电阻层处于结晶状态时，PRAM的电阻较低，此时存储器赋值为“0”。当电阻层处于非晶状态时，PRAM的电阻较高，此时存储器赋值为“1”。因此，PRAM是利用电阻层处于结晶状态或非晶状态时的电阻差异来写入/读取数据的非易失性存储器。
现有技术的一种相变随机存取存储器，例如US7292469中公开的相变随机存取存储器，其结构参照图1所示，包括：半导体衬底100；用于定义有源区的隔离层102；位于半导体衬底100中有源区的源极108s、漏极108d；半导体衬底100上横跨源极108s、漏极108d的栅绝缘层104及其上的栅电极106；覆盖所述半导体衬底100的绝缘层112；绝缘层112中通过插塞108与源极108s相连的源极线110；位于绝缘层112上的数据存储器122，其通过绝缘层112中的插塞114与漏极108d相连，所述数据存储器122包括下电极116、下电极116上的电阻层118、电阻层118上的上电极120；覆盖所述数据存储器122的绝缘层124；位于绝缘层124上的位线128，其通过绝缘层124中的位线插塞126与数据存储器122相连。
现有技术的另一种相变随机存取存储器，例如US2008/0116438A1中公开的相变随机存取存储器，其结构参照图2所示，包括：衬底201；衬底201中的源极202、漏极203；衬底201上横跨源极202、漏极203的栅绝缘层204及其上的栅电极205；覆盖所述衬底201的绝缘层206；位于绝缘层206上的数据存储器，其通过绝缘层206中的插塞207与漏极203相连，所述数据存储器包括下电极21、下电极21上的固溶体(solid solution)层24、固溶体层24上的电阻层22、电阻层22上的上电极层23。
目前，相变随机存取存储器仍属于较为新兴的技术产品，针对其的研发工作正在不断完善中。
发明内容
本发明要解决的问题是使得相变随机存取存储器具有更优化的器件性能。
为此，本发明提供一种相变随机存取存储器，包括开关器件及连接所述开关器件的数据存储器，所述数据存储器包括下电极、下电极上的电阻层、电阻层上的上电极，其中，所述电阻层的材料至少包括第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物，所述第二相变金属的电负性数值小于所述第一相变金属，所述上电极和下电极采用电负性数值小于所述第一相变金属的金属，或者采用贵金属。
相应地，本发明还提供一种相变随机存取存储器的制造方法，包括：形成开关器件，以及形成连接所述开关器件的数据存储器，所述数据存储器包括下电极、下电极上的电阻层、电阻层上的上电极，其中，形成所述电阻层的材料至少包括第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物，所述第二相变金属的电负性数值小于所述第一相变金属，所述上电极和下电极采用电负性数值小于所述第一相变金属的金属，或者采用贵金属。
相应地，本发明还提供一种上述相变随机存取存储器的编程方法，包括：在正偏置环境下对所述相变随机存取存储器施加电流进行置位；以及在负偏置环境下对所述相变随机存取存储器施加电流进行复位。
与现有技术相比，上述相变随机存取存储器及制造方法、编程方法具有以下优点：通过上述相变随机存取存储器的制造方法获得的相变随机存取存储器，其形成电阻层的至少包括两种不同的相变金属的氧化物。在正偏置环境下，当对其施加电流时，其中具有较高阻值的一种相变金属的氧化物会转变为具有较低阻值的另一种价态的同种相变金属的氧化物，从而实现置位。而当负偏置环境下，对其施加电流时，其中具有较低阻值的一种相变金属的氧化物会转变为具有较高阻值的另一种价态的同种相变金属的氧化物，从而实现复位。
附图说明
图1是现有技术的一种相变随机存取存储器的示意图；
图2现有技术的另一种相变随机存取存储器的示意图；
图3a至图3e是本发明相变随机存取存储器的各个实施例示意图；
图4a是本发明相变随机存取存储器的制造方法的一种实施例流程图；
图4b至图4d是图4a中步骤s6的各个实施例方法流程图；
图5a是对本发明相变随机存取存储器的一种实施例进行置位的实施例示意图；
图5b是对本发明相变随机存取存储器的一种实施例进行复位的实施例示意图。
具体实施方式
通过对现有相变随机存取存储器的分析发现，现有用作电阻层的材料大都为单一相变金属的氧化物或多种相变金属合金的氧化物，使得电阻层在某一编程状态(复位或置位)时的阻值是一个单一的固定值。当对具有该电阻层的相变随机存取存储器进行编程时，需要通过施加电压或电流的方式使得整个电阻层都发生阻值状态的改变。这样的话，相变随机存取存储器的编程速度就会受限于整个电阻层材料发生阻值状态改变的难易程度。而若通过增大所施加的电压或电流的大小，来加速阻值状态改变的速度，也会增加编程资源的消耗。
针对上述问题，本申请的发明人通过对相变金属的氧化物的研究发现，有些相变金属的氧化物中的相变金属可以具有不同的价态，且不同价态的同一相变金属的氧化物的阻值有高低之分。
基于此，本发明提供了应用上述特性的相变随机存取存储器、相变随机存取存储器的制造方法以及对上述相变随机存取存储器进行编程的方法。
根据本发明相变随机存取存储器的一种实施方式，其包括：
开关器件及连接所述开关器件的数据存储器，所述数据存储器包括下电极、下电极上的电阻层、电阻层上的上电极，其中，所述电阻层的材料至少包括第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物，所述第二相变金属的电负性数值小于所述第一相变金属，所述上电极和下电极采用电负性数值小于所述第一相变金属的金属，或者采用贵金属。
上述实施方式中，电阻层阻值的状态改变可以通过改变其中某一相变金属氧化物中的相变金属的价态来实现。
以下通过一些相变随机存取存储器的具体实例对上述相变随机存取存储器的结构进行进一步说明。
参照图3a所示，本发明相变随机存取存储器的一个实施例包括：
半导体衬底9；半导体衬底9上的栅绝缘层3；栅绝缘层3上的栅电极4；半导体衬底9中、栅绝缘层3及栅电极4两侧的源极1和漏极2；覆盖半导体衬底9上的第一绝缘层10；第一绝缘层10中与漏极2相连的插塞5；第一绝缘层10上的数据存储器，其包括下电极6、下电极6上的电阻层、电阻层上的上电极8，所述下电极6与插塞5相连，所述电阻层包括第一相变金属的氧化物层70及其上的第二相变金属的氧化物层71；覆盖数据存储器的第二绝缘层11。
参照图3b所示，本发明相变随机存取存储器的另一个实施例包括：
半导体衬底9；半导体衬底9上的栅绝缘层3；栅绝缘层3上的栅电极4；半导体衬底9中、栅绝缘层3及栅电极4两侧的源极1和漏极2；覆盖半导体衬底9上的第一绝缘层10；第一绝缘层10中与漏极2相连的插塞5；第一绝缘层10上的数据存储器，其包括下电极6、下电极6上的电阻层、电阻层上的上电极8，所述下电极6与插塞5相连，所述电阻层包括第一相变金属的氧化物层70，其与上电极8的接触面分布有第二相变金属的氧化物纳米颗粒71；覆盖数据存储器的第二绝缘层11。
图3c所示为本发明相变随机存取存储器的又一个实施例，其与图3b所示相变随机存取存储器的区别在于：所述电阻层包括多层堆叠结构，所述堆叠结构包括第一相变金属的氧化物层70及其表面的第二相变金属的氧化物纳米颗粒71。
参照图3d所示，本发明相变随机存取存储器的又一个实施例包括：
半导体衬底9；半导体衬底9上的栅绝缘层3；栅绝缘层3上的栅电极4；半导体衬底9中、栅绝缘层3及栅电极4两侧的源极1和漏极2；覆盖半导体衬底9上的第一绝缘层10；第一绝缘层10中与漏极2相连的插塞5；第一绝缘层10上的数据存储器，其包括下电极6、下电极6上的电阻层、电阻层上的上电极8，所述下电极6与插塞5相连，所述电阻层包括第二相变金属的氧化物层71，其与下电极6的接触面分布有第一相变金属的氧化物纳米颗粒70；覆盖数据存储器的第二绝缘层11。
图3e所示为本发明相变随机存取存储器的又一个实施例，其与图3d所示相变随机存取存储器的区别在于：所述电阻层包括多层堆叠结构，所述堆叠结构包括低价态的第一相变金属的氧化物纳米颗粒70及其上的第二相变金属的氧化物层71。
可选地，上述实施例中，所述第一相变金属的氧化物为氧化钴，所述第二相变金属的氧化物为氧化铌。(钴的电负性为1.70，铌的电负性为1.23)
可选地，所述第一相变金属的氧化物为氧化钴，所述第二相变金属的氧化物为氧化铌时，所述上电极为铌(Nb)，所述下电极为铂(Pt)或金(Au)。
根据本发明相变随机存取存储器的制造方法的一种实施方式，其包括：形成开关器件，以及形成连接所述开关器件的数据存储器，所述数据存储器包括下电极、下电极上的电阻层、电阻层上的上电极，其中，形成所述电阻层的材料至少包括第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物，所述第二相变金属的电负性数值小于所述第一相变金属，所述上电极和下电极采用电负性数值小于所述第一相变金属的金属，或者采用贵金属。
以下通过一些相变随机存取存储器制造方法的具体实例对上述相变随机存取存储器的制造过程进行进一步说明。
参照图4a所示，本发明相变随机存取存储器的制造方法的一种实施例包括：
执行步骤s1，在半导体衬底上形成栅绝缘层；执行步骤s2，在所述栅绝缘层上形成栅电极；执行步骤s3，在所述栅绝缘层及所述栅电极两侧的半导体衬底中形成源极和漏极；执行步骤s4，形成覆盖半导体衬底的第一绝缘层；执行步骤s5，在所述第一绝缘层中形成与漏极相连的插塞；执行步骤s6，在所述第一绝缘层上形成与所述插塞相连的数据存储器，其包括下电极、下电极上的电阻层、电阻层上的上电极，形成所述电阻层的材料至少包括第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物，所述第二相变金属的电负性数值小于所述第一相变金属，所述上电极和下电极采用电负性数值小于所述第一相变金属的金属，或者采用贵金属；执行步骤s7，形成覆盖所述数据存储器的第二绝缘层。
其中，步骤s6中形成电阻层可以采用以下三种方法中的任意一种实现。
参照图4b所示，形成电阻层的一个实例可以包括：
步骤s61，在下电极上形成第一相变金属的氧化物层；
步骤s62，在第一相变金属的氧化物层上形成第二相变金属的氧化物层。
参照图4c所示，形成电阻层的另一个实例可以包括：
步骤s63，在下电极上形成第一相变金属的氧化物层；
步骤s64，在第一相变金属的氧化物层上形成第二相变金属的氧化物纳米颗粒。
参照图4d所示，形成电阻层的又一个实例可以包括：
步骤s65，在下电极上形成第一相变金属的氧化物纳米颗粒；
步骤s66，在第一相变金属的氧化物纳米颗粒上形成第二相变金属的氧化物层。
形成电阻层的其他实例还可包括例如，重复多次执行图4c所示步骤s63～s64，或重复多次执行图4d所示步骤s65～s66。
可选地，所述第一相变金属的氧化物为氧化钴，所述第二相变金属的氧化物为氧化铌，所述上电极为Nb，所述下电极为Pt或Au。
以所述第一相变金属的氧化物为氧化钴，所述第二相变金属的氧化物为氧化铌为例，对应图4c所示的形成电阻层的方法，其过程可以包括：在下电极上先溅射形成氧化钴层，接着在所形成的氧化钴上溅射氧化铌纳米颗粒(nano-particles)，然后重复所述的形成氧化钴层及氧化铌纳米颗粒的步骤。重复的次数及每次所形成的氧化钴层及氧化铌纳米颗粒的厚度取决于最终所要求的电阻层的厚度。
以所述第一相变金属的氧化物为氧化钴，所述第二相变金属的氧化物为氧化铌为例，对应图4d所示的形成电阻层的方法，其过程可以包括：在下电极上先溅射氧化钴纳米颗粒，接着在所形成的氧化钴上溅射形成氧化铌层，然后重复所述的形成氧化钴纳米颗粒及氧化铌层的步骤。重复的次数及每次所形成的氧化钴纳米颗粒及氧化铌层的厚度取决于最终所要求的电阻层的厚度。
根据本发明对相变随机存取存储器进行编程的方法的一种实施方式，其包括：在负偏置环境下对所述相变随机存取存储器施加电流进行复位；以及在正偏置环境下对所述相变随机存取存储器施加电流进行置位。
所述偏置环境可以通过提供偏压的方式实现，例如提供双极偏压。
以下结合具体的相变随机存取存储器的实例对上述编程过程进行详细说明。
图8a为本发明对相变随机存取存储器的一种实施例进行置位示意图。参照图8a所示，所述相变随机存取存储器中的数据存储器中的上电极材料为Nb，下电极材料为Pt或Au，电阻层包括氧化钴和其上的氧化铌。
当对上述相变随机存取存储器进行置位时，在上、下电极间施加2.2V的脉冲偏压，形成正偏置环境。在所述正偏置环境下，对所述相变随机存取存储器施加250微安(μA)的电流来进行置位，进行置位的时间为50纳秒(ns)。继续参照图8a所示，上电极接正极(+)，电子就会向氧化铌Nb2O5移动。
在所述正偏置环境下，氧化铌Nb2O5会发生还原反应，其反应式为：
Nb2O5+2e→2NbO2+O2-
而氧化钴CoO则会发生氧化反应，其反应式为：
2CoO+O2-→Co2O3
经过上述还原反应，Nb2O5会变为NbO2，而NbO2具有较低的阻值。因而，通过在正偏置环境下施加电流，完成了从高阻值状态到低阻值状态的置位操作。
图8b为本发明对图8a所示相变随机存取存储器进行复位的示意图。
当对所述相变随机存取存储器进行复位时，在上、下电极间施加-1.4V的脉冲偏压，形成负偏置环境。在所述负偏置环境下，在氧离子氛围中，对所述相变随机存取存储器施加150微安(μA)的电流来进行复位，进行复位的时间为50纳秒(ns)。继续参照图8b所示，下电极接正极(+)，电子就会从氧化铌NbO2向下电极移动。在所述偏置环境下，氧化铌NbO2会发生氧化反应，其反应式为：
2NbO2+O2-→Nb2O5+2e
而氧化钴Co2O3则会发生还原反应，其反应式为：
Co2O3+2e→2CoO+O2-
经过上述氧化反应，NbO2会变为Nb2O5，而Nb2O5具有较高的阻值。因而，通过在负偏置环境下施加电流，完成了从低阻值状态到高阻值状态的复位操作。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (19)
1.一种相变随机存取存储器，包括开关器件及连接所述开关器件的数据存储器，所述数据存储器包括下电极、下电极上的电阻层、电阻层上的上电极，其特征在于，所述电阻层的材料至少包括第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物，所述第二相变金属的电负性数值小于所述第一相变金属，所述上电极和下电极采用电负性数值小于所述第一相变金属的金属，或者采用贵金属；其中，所述第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物中的相变金属均具有不同价态，且不同价态的同一相变金属的氧化物具有不同的阻值；且在正偏置环境下，当对所述相变随机存取存储器施加电流时，电阻层的材料中具有较高阻值的一种相变金属的氧化物转变为具有较低阻值的另一种价态的同种相变金属的氧化物，实现置位，在负偏置环境下，当对所述相变随机存取存储器施加电流时，电阻层的材料中具有较低阻值的一种相变金属的氧化物转变为具有较高阻值的另一种价态的同种相变金属的氧化物，实现复位。
2.如权利要求1所述的相变随机存取存储器，其特征在于，所述电阻层包括：第一相变金属的氧化物层及其上的第二相变金属的氧化物层。
3.如权利要求1所述的相变随机存取存储器，其特征在于，所述电阻层包括：第一相变金属的氧化物层，其与上电极的接触面分布有第二相变金属的氧化物纳米颗粒。
4.如权利要求1所述的相变随机存取存储器，其特征在于，所述电阻层包括：至少两层堆叠结构，所述堆叠结构包括第一相变金属的氧化物层及其表面的第二相变金属的氧化物纳米颗粒。
5.如权利要求1所述的相变随机存取存储器，其特征在于，所述电阻层包括：第一相变金属的氧化物纳米颗粒，以及其上与上电极接触的第二相变金属的氧化物层。
6.如权利要求1所述的相变随机存取存储器，其特征在于，所述电阻层包括：至少两层堆叠结构，所述堆叠结构包括第一相变金属的氧化物纳米颗粒及其上的第二相变金属的氧化物层。
7.如权利要求1至6任一项所述的相变随机存取存储器，其特征在于，所述第一相变金属的氧化物为氧化钴，所述第二相变金属的氧化物为氧化铌。
8.如权利要求1所述的相变随机存取存储器，其特征在于，所述上电极为Nb，所述下电极为Pt或Au。
9.一种相变随机存取存储器的制造方法，包括：形成开关器件，以及形成连接所述开关器件的数据存储器，所述数据存储器包括下电极、下电极上的电阻层、电阻层上的上电极，其特征在于，形成所述电阻层的材料至少包括第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物，所述第二相变金属的电负性数值小于所述第一相变金属，所述上电极和下电极采用电负性数值小于所述第一相变金属的金属，或者采用贵金属；其中，所述第一相变金属的氧化物和第二相变金属的氧化物中的相变金属均具有不同价态，且不同价态的同一相变金属的氧化物具有不同的阻值；且在正偏置环境下，当对所述相变随机存取存储器施加电流时，电阻层的材料中具有较高阻值的一种相变金属的氧化物转变为具有较低阻值的另一种价态的同种相变金属的氧化物，实现置位，在负偏置环境下，当对所述相变随机存取存储器施加电流时，电阻层的材料中具有较低阻值的一种相变金属的氧化物转变为具有较高阻值的另一种价态的同种相变金属的氧化物，实现复位。
10.如权利要求9所述的相变随机存取存储器的制造方法，其特征在于，形成所述电阻层包括：在下电极上形成第一相变金属氧化物层，以及，在第一相变金属氧化物层上形成第二相变金属氧化物层。
11.如权利要求9所述的相变随机存取存储器的制造方法，其特征在于，形成所述电阻层包括单次或重复多次执行下述步骤：在下电极上形成第一相变金属氧化物层，以及，在第一相变金属氧化物层上形成第二相变金属氧化物纳米颗粒。
12.如权利要求9所述的相变随机存取存储器的制造方法，其特征在于，形成所述电阻层包括单次或重复多次执行下述步骤：在下电极上形成第一相变金属氧化物纳米颗粒，以及，在第一相变金属氧化物颗粒上形成第二相变金属氧化物层。
13.如权利要求9至12任一项所述的相变随机存取存储器的制造方法，其特征在于，所述第一相变金属的氧化物为氧化钴，所述第二相变金属的氧化物为氧化铌。
14.如权利要求9所述的相变随机存取存储器的制造方法，其特征在于，所述上电极为Nb，所述下电极为Pt或Au。
15.一种如权利要求1至6、8任一项所述的相变随机存取存储器的编程方法，包括：在正偏置环境下对所述相变随机存取存储器施加电流进行置位；以及在负偏置环境下对所述相变随机存取存储器施加电流进行复位。
16.如权利要求15所述的相变随机存取存储器的编程方法，其中，所述正偏置环境包括：对所述相变随机存取存储器施加脉冲偏压2.2V。
17.如权利要求16所述的相变随机存取存储器的编程方法，其中，所述置位施加的电流为250μA。
18.如权利要求15所述的相变随机存取存储器的编程方法，其中，所述负偏置环境包括：对所述相变随机存取存储器施加脉冲偏压-1.4V。
19.如权利要求18所述的相变随机存取存储器的编程方法，其中，所述复位施加的电流为150μA。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SEMICONDUCTOR MANUFACTURING (BEIJING) INTERNATIONA Effective date: 20121025 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20121025 Address after: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Applicant after: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation Applicant after: Semiconductor Manufacturing International (Beijing) Corporation Address before: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Applicant before: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130529 Termination date: 20200716 |