CN102412309B - 开关器件和包括所述开关器件的存储器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开关器件，包括：第一电极、双极性隧道层和第二电极。双极性隧道层形成在第一电极上并且包括多个具有不同介电常数的电介质层。第二电极形成在双极性隧道层上。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年9月17日提交的韩国专利申请No.10-2010-0091553的优先权，本文通过引用包括该申请的全部内容。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及半导体器件制造技术，更具体而言，涉及提供双极性(bipolar)(或双向)电流路径的开关器件以及具有所述开关器件的存储器件。
背景技术
通常，半导体存储器件的单位单元具有1S-1M结构，即开关部分与储存数据的存储部分的组合。例如，被认为是下一代存储器件的电阻式随机存取存储(ReRAM)器件包括使用晶体管或二极管的开关部分和使用诸如过渡金属氧化物的可变电阻材料的存储部分。
与此同时，半导体存储器件采用双极性开关方法，以便保证在操作电压、泄漏电流、操作速度和耐久性方面的期望特性。例如，电阻式存储器件使用相反极性的电压用于双极性开关。根据相反极性的电压，执行将存储部分从高电阻状态变为低电阻状态的设置操作，以及执行将存储部分从低电阻状态变为高电阻状态的复位操作。为了实现半导体存储器件的双极性开关模式，开关部分要被配置为提供双极性电流路径。
在现有的技术中，使用二极管作为开关部分来提供单极性(unipolar)(或单向)电流路径。二极管具有非常低的反向电流，因此难以实现稳定的双极性开关特性。另外，可以使用晶体管作为开关部分提来供双极性电流通道。但是，随着半导体存储器件的集成密度的提高，难以降低的晶体管的尺寸可能成为电路设计的障碍。晶体管尺寸的降低可能使得操作特性退化。
发明内容
本发明的一个实施例涉及提供双极性电流路径并且易于高度集成的开关器件。
本发明的另一个实施例涉及在双极性开关模式中使用的并且易于高度集成的半导体存储器件。
根据本发明的一个示例性实施例，一种开关器件包括：第一电极；双极性隧道层(bipolartunnelinglayer)，所述双极性隧道层形成在第一电极上并且包括具有不同介电常数的多个电介质层；以及形成在双极性隧道层上的第二电极。
根据本发明的另一个示例性实施例，一种存储器件包括：彼此交叉的多个导线；以及形成在导线的交叉处并处在导线之间的存储器单元(memorycell)，所述存储器单元具有彼此串联的开关单元和存储单元(memoryunit)，其中，所述开关单元包括具有多个电介质层的双极性隧道层，所述多个电介质层具有不同的介电常数。
附图说明
图1是说明根据本发明的第一实施例的开关器件的截面图。
图2是说明根据本发明的第一实施例形成的开关器件的操作特性的电流-电压(I-V)图。
图3是说明根据本发明的第二实施例的开关器件的截面图。
图4A至图4D是说明具有根据本发明的一个示例性实施例的开关器件的存储器件的视图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。但是，本发明可以用不同的方式来实施并且不应解释为受到本文所列实施例的限制。另外，提供这些实施例是为了使本说明书将是清楚且完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在本说明书中，相同的附图标记在本发明的各个附图和实施例中表示相同的部分。
附图并非按比例绘制，并且在某些情况下，为了清楚地图示实施例的特征，可能对比例已经做了夸大处理。当提及第一层在第二层“上”或在衬底“上”时，其不仅表示第一层直接形成在第二层上或在衬底上的情况，而且还表示在第一层与第二层之间或在第一层与衬底之间存在第三层的情况。
本发明提供了使用双极性开关方法并且易于高度集成的开关器件，以及具有所述开关器件的半导体存储器件。为此，本发明提供具有金属-绝缘体-金属(MIM)结构并且利用直接隧道效应或F-N隧道效应提供双极性电流通道的开关器件，以及具有所述开关器件的半导体存储器件。
图1是说明根据本发明的第一实施例的开关器件的截面图。
参照图1，根据本发明的第一实施例的开关器件包括：第一电极11；双极性隧道层12，所述双极性隧道层12被设置在第一电极11上并且包括具有不同介电常数的多个电介质层；以及设置在双极性隧道层12上的第二电极13。双极性隧道层12可以具有多个电介质层，所述多个电介质层具有不同的介电常数并且顺序地层叠在第一电极11与第二电极13之间。可以根据电介质层的电特性来控制所层叠的电介质层的数量。具体而言，根据本发明的第一实施例的开关器件可以具有第一电介质层12A、第二电介质层12B和第三电介质层12C的顺序层叠结构。
双极性隧道层12利用施加到第一电极11和第二电极13的偏置电压来提供双向电流路径。为了增大导通电流(oncurrent)(或操作电流)和减小截止电流(offcurrent)(或泄漏电流)，第二电介质层12B可以具有比第一电介质层12A和第三电介质层12C高的介电常数。具有相对低的介电常数的第一电介质层12A和第三电介质层12C使导通电流增大，而具有相对高的介电常数的第二电介质层12B使截止电流减小。另外，第一电介质层12A和第三电介质层12C可以由相同的材料形成。这是为了双向地提供均匀的电流路径。
关于包括具有不同介电常数的第一电介质层12A、第二电介质层12B和第三电介质层12C的双极性隧道层12的能带图方面，第一电介质层12A和第三电介质层12C可以具有比第二电介质层12B大的能带间隙(bandgap)。
为了更有效地增大导通电流和减小截止电流，第二电介质层12B可以具有比第一电介质层12A和第三电介质层12C小的厚度(T1、T3＞T2)。在此，第一电介质层12A和第三电介质层12C可以具有相同的厚度(T1＝T3)。这是为了双向地提供均匀的电流路径。
双极性隧道层12利用直接隧道效应或F-N隧道效应来提供双极性电流路径。为了更有效地增大导通电流和减小截止电流，第一电极11的功函数与第一电介质层12A的电子亲和势(electronaffinity)之间的差以及第二电极13的功函数与第三电介质层12C的电子亲和势之间的差可以在0.1eV至3eV的范围内。作为参考，已知借助于直接隧道效应和F-N隧道效应的电流路径受到电极与电介质层之间的电势垒的影响。
双极性隧道层12可以包括电介质层，诸如氮化硅层(Si3N4)、氧化铝层(Al2O3)、氧化铪层(HfO2)、氧化锆层(ZrO2)、氧化钛层(TiO2)和氧化钽层(Ta2O5)。为了满足以上条件，第一电介质层12A和第三电介质层12C可以包括选自氮化硅层(Si3N4)、氧化铝层(Al2O3)、氧化铪层(HfO2)和氧化锆层(ZrO2)中的至少一种，第二电介质层12B可以包括氧化钛层(TiO2)或/和氧化钽层(Ta2O5)。
第一电极11和第二电极13可以包括金属性层。例如，第一电极11和第二电极13可以包括选自钛(Ti)、铂(Pt)、金(Au)、钌(Ru)、铱(Ir)、银(Ag)、铝(Al)、镍(Ni)、铬(Cr)、钯(Pd)、钨(W)和它们的任一种合金中的至少一种。
如上所述，根据本发明的第一实施例的开关器件易于高度集成，因为它提供双极性电流路径并且具有简单的MIM结构。另外，双极性隧道层具有多个具有不同介电常数的电介质层的层叠结构，由此增大导通电流和减小截止电流。
下面，将参照图2详细地描述根据本发明的第一实施例的开关器件的效果和操作特性。
图2是说明根据本发明的第一实施例形成的开关器件的操作特性的电流-电压(I-V)图。
图2的附图标记‘A’所指代的图表示双极性隧道层具有氧化锆层/氧化钛层/氧化锆层的顺序层叠结构的情况，附图标记‘B’所指代的图表示双极性隧道层具有氧化锆层/氧化钛层/氧化锆层的顺序层叠结构的情况。作为对比例，附图标记‘C’所指代的图表示双极性隧道层具有单一氧化锆层的情况。
参照图2，可以看出，如果双极性隧道层具有相似的厚度，则与包括单层的双极性隧道层(即，对比例‘C’)相比，包括层叠层的双极性隧道层(即，情况‘B’)能够改善/增加导通电流。
另外，可以看出，即使层叠层的双极性隧道层比单层的双极性隧道层厚，层叠层的双极性隧道层(即，情况“A”)也能够提供与单层的双极性隧道层(即，对比例“C”)相似的导通电流。这表明双极性隧道层包括层叠层的情况能够比双极性隧道层包括单层的情况更有效地增大导通电流。
在通常的MIM结构中，导通电流和截止电流会随着电介质层厚度的增加而降低。即，为了减小截止电流，要增加电介质层的厚度，但是截止电流与导通电流之间存在权衡关系。然而，可以看出，本发明即使在增加双极性隧道层(即，电介质层)的厚度以便减小截止电流时，也并不减小导通电流。
图3是说明根据本发明的第二实施例的开关器件的截面图。
下面，为了说明的目的，在本发明的第一实施例和第二实施例中使用相同的附图标记表示相同的元件。
参照图3，根据本发明的第二实施例的开关器件包括：第一电极11；双极性隧道层12，所述双极性隧道层12被设置在第一电极11上并且包括具有不同介电常数的多个电介质层；以及设置在双极性隧道层12上的第二电极13。根据本发明的第二实施例的双极性隧道层12可以具有第一电介质层12A和第二电介质层12B的顺序层叠结构。在此，第二电介质层12B可以具有比第一电介质层12A高的介电常数。
双极性隧道层12利用施加到第一电极11和第二电极13的偏置电压来提供双向电流路径。如果第二电介质层12B具有比第一电介质层12A高的介电常数，则第一电介质层12A使导通电流增大，第二电介质层12B使截止电流减小。
关于包括具有不同介电常数的第一电介质层12A和第二电介质层12B的双极性隧道层12的能带图方面，第一电介质层12A可以具有比第二电介质层12B大的能带间隙。
为了更有效地增大导通电流和减小截止电流，第一电介质层12A和第二电介质层12B可以具有不同的厚度。例如，如果第二电介质层12B具有比第一电介质层12A高的介电常数，则第二电介质层12B可以具有比第一电介质层12A小的厚度(T1＞T2)。
双极性隧道层12利用直接隧道效应或F-N隧道效应来提供双极性电流路径。为了更有效地增大导通电流和较小截止电流，第一电极11的功函数与第一电介质层12A的电子亲和势之间的差可以在0.1eV至3eV的范围内。作为参考，已知借助于直接隧道效应和F-N隧道效应的电流路径受到电极与电介质层之间的电势垒的影响。
双极性隧道层12可以包括电介质层，诸如氮化硅层(Si3N4)、氧化铝层(Al2O3)、氧化铪层(HfO2)、氧化锆层(ZrO2)、氧化钛层(TiO2)和氧化钽层(Ta2O5)。为了满足以上条件，第一电介质层12A可以包括选自氮化硅层(Si3N4)、氧化铝层(Al2O3)、氧化铪层(HfO2)和氧化锆层(ZrO2)中的至少一种，第二电介质层12B可以包括氧化钛层(TiO2)或/和氧化钽层(Ta2O5)。
第一电极11和第二电极13可以包括金属性层。例如，第一电极11和第二电极13可以包括选自钛(Ti)、铂(Pt)、金(Au)、钌(Ru)、铱(Ir)、银(Ag)、铝(Al)、镍(Ni)、铬(Cr)、钯(Pd)、钨(W)和它们的任一种合金中的至少一种。
如上所述，根据本发明的第二实施例的开关器件易于高度集成，因为它提供双极性电流路径并且具有简单的MIM结构。另外，双极性隧道层包括具有不同介电常数的多个电介质层的层叠结构，从而增大导通电流和减小截止电流。
另外，根据本发明的第二实施例的开关器件在实现与根据本发明的第一实施例的开关器件相同的操作特性的同时，可以减少开关器件的厚度。
图4A至图4D是说明具有根据本发明的一个示例性实施例的开关器件的存储器件的视图。图4A是说明具有纵横阵列(crossbararray)结构的存储器件的立体图。图4B是说明具有三维纵横阵列结构的存储器件的立体图。图4C是说明具有根据本发明的第一实施例的开关器件的存储器单元MC的截面图。图4D是说明具有根据本发明的第二实施例的开关器件的存储器单元MC的截面图。
参照图4A至图4D，根据本发明的一个示例性实施例的存储器件包括：彼此交叉的多个导线21、22和23；和设置在导线的交叉处并处在导线之间的存储器单元MC。
存储器单元MC具有顺序层叠并且彼此串联的开关单元100和存储单元200。在一个存储器单元MC中，在开关单元100与存储单元200的连接顺序(开关单元/存储单元或存储单元/开关单元)方面没有限制。开关单元100包括：第一电极11；双极性隧道层12，所述双极性隧道层12被设置在第一电极11上并且包括具有不同介电常数的多个电介质层；以及设置在双极性隧道层12上的第二电极13。已经参照图1至图3描述了开关单元100，因此为了简洁起见，省略对其详细的描述。
如果导线包括第一导线21和第二导线22(参见图4A)，则具有彼此串联连接的开关单元100和存储单元200的存储器单元MC可以被设置在第一导线21与第二导线22的互连处。
另外，如果导线包括第一导线21、第二导线22和第三导线23(参见图4B)，则存储器单元MC可以相对于第二导线22对称地设置在第一导线21与第三导线23之间。即，每个存储器单元MC的存储单元200可以与第二导线22连接，每个存储器单元MC的开关单元100可以与第一导线21和第三导线23连接。
存储单元200包括与开关单元100相连接的第三电极14、与第三电极14相连接的可变电阻层15、以及与可变电阻层15相连接的第四电极16，第三电极14、可变电阻层15和第四电极16顺序地层叠。存储单元200包括具有根据施加到第三电极14和第四电极16的电压或电流而变化的电阻的材料。具体而言，存储单元200的可变电阻层15可以包括具有根据施加到第三电极14和第四电极16的电压或电流而变化的电阻的材料。更具体而言，可变电阻层15可以包括：包括硫属化合物的相变材料层；包括钙钛矿材料或过渡金属氧化物或硫属化物材料的可变电阻材料层。
在存储器单元MC中，开关单元100的第二电极13和存储单元200的第三电极14可以彼此代替。即，可以不形成第二电极13和第三电极14中的一个。
本发明的存储器件具有提供双极性电流路径并且具有简单MIM结构的开关单元100，由此在通过使用双极性开关方法保证稳定的操作特性的同时实现高度集成的存储器件。
另外，开关单元100的双极性隧道层12包括具有不同介电常数的多个电介质层的层叠结构，由此增大导通电流和减小截止电流。因此，可以获得合适的存储器件操作特性。
如上所述，本发明的开关器件易于高度集成，因为它提供双极性电流路径并且具有简单的MIM结构。
另外，本发明的开关器件具有双极性隧道层，所述双极性隧道层包括具有不同介电常数的多个电介质层的层叠结构，由此增大导通电流和减小截止电流。
虽然已经参照具体实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种变化和修改。
Claims (17)
1.一种开关器件，包括：
第一电极；
双极性隧道层，所述双极性隧道层形成在所述第一电极上并且包括具有不同介电常数的多个电介质层；以及
第二电极，所述第二电极形成在所述双极性隧道层上，
其中，所述多个电介质层包括顺序层叠的第一电介质层、第二电介质层和第三电介质层，并且所述多个电介质层提供双极性电流路径，
其中，所述第一电极的功函数与所述第一电介质层的电子亲和势之间的差在0.1eV至3eV的范围中，
所述第一电介质层和所述第三电介质层每个都具有比所述第二电介质层大的厚度。
2.如权利要求1所述的开关器件，其中，所述第二电介质层具有比所述第一电介质层和所述第三电介质层高的介电常数。
3.如权利要求1所述的开关器件，其中，所述第一电介质层和所述第三电介质层由相同的材料形成。
4.如权利要求1所述的开关器件，其中，所述第一电介质层、所述第二电介质层和所述第三电介质层包括选自氧化铝层、氮化硅层、氧化铪层、氧化锆层、氧化钛层和氧化钽层中的至少一种。
5.如权利要求1所述的开关器件，其中，所述第一电介质层和所述第三电介质层每个都包括选自氧化铝层、氮化硅层、氧化铪层和氧化锆层中的至少一种，所述第二电介质层包括氧化钛层或/和氧化钽层。
6.一种开关器件，包括：
第一电极；
双极性隧道层，所述双极性隧道层形成在所述第一电极上并且包括具有不同介电常数的多个电介质层；以及
第二电极，所述第二电极形成在所述双极性隧道层上，
其中，所述多个电介质层包括顺序层叠的第一电介质层和第二电介质层，并且当所述第二电介质层具有比所述第一电介质层高的介电常数时，所述第二电介质层具有比所述第一电介质层小的厚度，
其中，所述第一电极的功函数与所述第一电介质层的电子亲和势之间的差在0.1eV至3eV的范围中。
7.如权利要求6所述的开关器件，其中，所述第一电介质层和所述第二电介质层包括选自氧化铝层、氮化硅层、氧化铪层、氧化锆层、氧化钛层和氧化钽层中的至少一种。
8.一种存储器件，包括：
彼此交叉的多个导线；以及
存储器单元，所述存储器单元形成在所述导线的交叉处并处在所述导线之间，并且所述存储器单元具有彼此串联的开关单元和存储单元，
其中，所述开关单元包括双极性隧道层，所述双极性隧道层具有多个电介质层，所述多个电介质层分别具有不同的介电常数，
其中，所述多个电介质层包括顺序层叠的第一电介质层、第二电介质层和第三电介质层，并且所述多个电介质层提供双极性电流路径，
其中，所述第一电极的功函数与所述第一电介质层的电子亲和势之间的差在0.1eV至3eV的范围中，
所述第一电介质层和所述第三电介质层具有比所述第二电介质层大的厚度。
9.如权利要求8所述的存储器件，其中，所述开关单元还包括第一电极和第二电极，所述双极性隧道层夹在所述第一电极与所述第二电极之间。
10.如权利要求9所述的存储器件，其中，所述存储单元包括：
第三电极，所述第三电极与所述开关单元的所述第一电极和所述第二电极中的一个相连接；
可变电阻层，所述可变电阻层与所述第三电极相连接；以及
第四电极，所述第四电极与所述可变电阻层相连接。
11.如权利要求10所述的存储器件，其中，所述第一电极和所述第二电极中的所述一个与所述第三电极由相同的材料形成以彼此代替。
12.如权利要求10所述的存储器件，其中，所述存储单元包括具有根据施加到所述第三电极和所述第四电极的电压或电流而变化的电阻的材料。
13.如权利要求8所述的存储器件，其中，所述第二电介质层具有比所述第一电介质层和所述第三电介质层高的介电常数。
14.如权利要求8所述的存储器件，其中，所述第一电介质层和所述第三电介质层由相同的材料形成。
15.如权利要求8所述的存储器件，其中，所述第一电介质层和所述第三电介质层包括选自氧化铝层、氮化硅层、氧化铪层和氧化锆层中的至少一种，所述第二电介质层包括氧化钛层或/和氧化钽层。
16.如权利要求10所述的存储器件，其中，所述可变电阻层包括相变材料层或可变电阻材料层。
17.一种存储器件，包括：
彼此交叉的多个导线；以及
存储器单元，所述存储器单元形成在所述导线的交叉处并处在所述导线之间，并且所述存储器单元具有彼此串联的开关单元和存储单元，
其中，所述开关单元包括双极性隧道层，所述双极性隧道层具有多个电介质层，所述多个电介质层分别具有不同的介电常数，
其中，所述多个电介质层包括顺序层叠的第一电介质层和第二电介质层，并且当所述第二电介质层具有比所述第一电介质层高的介电常数时，所述第二电介质层具有比所述第一电介质层小的厚度，
其中，所述第一电极的功函数与所述第一电介质层的电子亲和势之间的差在0.1eV至3eV的范围中。
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