CN107068859B - 用于三维非易失性电阻式随机存取存储器的纳米颗粒基体 - Google Patents
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Abstract
本公开主要涉及一种三维NVM RRAM装置中的纳米颗粒基体。该RRAM装置使用可以沉积到高深宽比沟道中的材料，材料具有良好的循环性能，短的擦和写时间，以及与CMOS兼容的写/擦电压。RRAM材料设置于装置的两个电极之间，并包括分布于绝缘基体内的导电纳米颗粒。颗粒低于渗流阈值分布。
Description
技术领域
本公开的实施例总体上涉及在三维非易失性存储器(NVM)电阻式随机存取存储器(RRAM)装置中分布的纳米颗粒的集合。
背景技术
当前有用于在计算系统中存储信息的若干不同的存储器技术。这些不同的存储器技术总体上可以分为两大类，即易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器总体上指需要电力以保留所存储的数据的计算机存储器类型。而另一方面，非易失性存储器总体上是指不需要电力以保留所存储的数据的计算机存储器类型。易失性存储器的类型的示例包括随机存取存储器(RAM)中的某些类型，比如动态RAM(DRAM)和静态RAM(SRAM)。非易失性存储器的类型的示例包括只读存储器(ROM)、闪存存储器，比如NOR和NAND闪存等等。
近年来，已经有对具有更高密度(容量)的装置的需求，其具有每比特相对较低成本，以用于大容量存储应用之中。当前，总体上主导计算产业的存储器技术是DRAM和NAND闪存；然而，这些存储器技术可能无法满足下一代计算系统在当前和未来对容量的需求。
最近，若干新兴的技术作为下一代存储器类型中的潜在竞争者，已经引起了越来越多的关注。这些新兴技术中的一些包括相变存储器(PCM)、电阻式随机存取存储器(已知缩写为ReRAM或RRAM)及其它。RRAM(其与PCM共有的相似性在于它们都是通过具有与状态相关的电阻的机构来进行操作)也是一种总体上使用电阻的变化来存储数据的非易失性存储器技术。
这些不同的新兴存储器技术中的每一种都可能是重要的竞争者，其在固态存储应用中淘汰NOR和NAND闪存、且在NAND闪存情况下淘汰固态硬盘驱动器(SSD)。因此，可能需要提供一种技术，其可以用于实现非易失性存储器中的更高容量，同时最小化每比特的成本。
发明内容
本公开总体上涉及一种分布在三维NVM RRAM装置中的纳米颗粒。RRAM装置使用可以沉积到高深宽比沟道中的材料，材料具有良好的循环性能，短的擦和写时间，以及与CMOS兼容的写/擦电压。RRAM材料设置于装置的两个电极之间，并包含分布于绝缘基体内的导电纳米颗粒。该颗粒低于渗流阈值在空间上分布。
在一个实施例中，非易失性存储器装置包括第一电极；第二电极；以及设置在第一电极和第二电极之间的第一存储器材料，其中，第一存储器材料包括绝缘材料，绝缘材料具有分布在绝缘材料内的多个导电纳米颗粒，其中，所述纳米颗粒以使得大多数颗粒低于渗流阈值分布的方式在空间上分布，且其中导电纳米颗粒选自由以下金属组成的组：钯、铑、钌、铂、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、锆、钒、及其合金。
在另一个实施例中，非易失性存储器装置包括衬底；设置在衬底上的第一绝缘层；设置在第一绝缘层上的第一电极层；设置在第一电极层上的第二绝缘层；设置在第二绝缘层上的第二电极层；设置在第二电极层上的第三绝缘层，其中，穿过第三绝缘层、第二电极层、第二绝缘层、第一电极层和第一绝缘层形成通孔或沟槽，以暴露衬底的部分；存储器材料层设置在通孔或沟槽内，其中存储器材料包括绝缘材料，绝缘材料具有分布在绝缘材料中的多个金属纳米颗粒，其中纳米颗粒的大部分低于渗流阈值分布，并且其中金属纳米颗粒选自由以下材料组成的组：钯、铂、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金；以及设置在该存储器材料层上的至少一个上电极。
在另一实施例中，制造非易失性存储器装置的方法包括在第一电极上沉积存储器材料，其中第一存储器材料包括绝缘材料，绝缘材料具有分布在绝缘材料内的多个金属纳米颗粒，其中大部分纳米颗粒低于渗流阈值分布，并且其中金属纳米颗粒选自由以下金属组成的组：钯、铂、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金；并且其中沉积包括原子层沉积或化学气相沉积；以及在存储器材料上形成第二电极。
在另一实施例中，一种三维非易失性存储器装置包括与多个绝缘层相互交替的多个导电层，其中多个导电层和多个绝缘层设置在衬底上，其中穿过多个导电层和多个绝缘层形成通孔或沟槽，以暴露所述衬底；存储器材料，存储器材料沿多个导电层和多个绝缘层设置在通孔或沟槽内，其中存储器材料包括绝缘材料，绝缘材料具有分布在绝缘材料内的多个金属纳米颗粒，其中纳米颗粒低于渗流阈值分布，并且其中金属纳米颗粒选自由以下材料组成的组：钯、铂、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金；以及设置在存储器材料上的多个电极。
附图说明
为了便于详细地理解本发明的上述特征，将参考实施例来地对以上简要概述的上述本公开的内容进行更具体的描述，其中一些实施例在附图中予以图示。然而，应当注意，附图所示仅示出了本公开的典型实施例，因此不应被视为对其范围的限制，因为本公开可以允许其它等同有效的实施例。
图1是根据一个实施例的存储器装置的截面示意图。
图2是根据一个实施例的三维存储器装置的截面示意图。
图3是根据另一实施例的三维存储器装置的立体示意图。
图4是根据另一实施例的三维存储器装置的立体示意图。
为了便于理解，在可能的情况下使用了相同的参考数字，以指代附图中共同的相同元件。应当预期，一个实施例中公开的要素可以有利地用于其它实施例中而不需要具体说明。
具体实施方式
下面参考了本公开的实施例。然而，应当理解，本公开并不限于具体描述的实施例。相反，下列特征和元件的任何组合，无论是否涉及不同实施例，都应预期为实施和实践本公开。此外，尽管本公开的实施例与其他可能的解决方案和/或现有技术相比具有优点，但是特定的优点是否由给定的实施例实现并不构成对本公开的限制。因此，以下的方面、特征、实施例以及优点仅仅是解释性的，而不应被认为是所附权利要求的元件或限制，除非明确地列在(一项或多项)权利要求之中。同样，所提到的“本发明”并不应理解为对本文公开的任何创造性主题的概括，也不应被认为是所附权利要求的元件或限制，除非明确地列在(一项或多项)权利要求之中。
本公开总体上涉及一种三维NVM RRAM装置中的纳米颗粒基体。RRAM装置使用可以沉积到高深宽比沟道中的材料，材料具有良好的循环性能，短的擦和写时间，以及与CMOS兼容的写/擦电压。RRAM材料设置于该装置的两个电极之间，并包括分布于绝缘基体内的导电纳米颗粒。大部分纳米颗粒低于渗流阈值分布。
图1是根据一个实施例的存储器装置100的截面示意图。存储器装置100包括第一电极102和第二电极104。存储器材料(如RRAM材料层106)设置在电极102和104之间。成核层108、110可以存在于电极102、104以及RRAM材料层106之间。在一个实施例中，电极102、104包含导电材料，比如铜、钯、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、钼、铂、钽、及其合金。
成核层108、110可由与颗粒114材料相同的材料制成。成核层具有表面形貌，表面形貌在与第一电极界面相垂直的表面上的表面粗糙度大于在与第一电极接触的表面上的表面粗糙度，或成核层可以在该表面中具有高密度的缺陷。成核层可以是其它材料，其表面能小于颗粒114材料的表面能。
RRAM材料层106包括绝缘基体112，多个纳米颗粒114设置于绝缘基体112中。在一个实施例中，绝缘基体112包含选自由以下材料组成的组的绝缘材料：SiOx、SiNx、AlOx、AlNx、TiNx、TiOx、TaOx、TaNx、WOx、WNx、ZrOx、以及HfOx、复合金属氧化物、复合氮化物和复合氮氧化物。纳米颗粒114可以包括为金属单质的金属纳米颗粒。金属单质可选自由以下材料组成的组：钯、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、钼、铂、钽、及其合金。
纳米颗粒114的合金可以由两种金属元素制成，并且此外含有导电性较低的元素。可作为合金的一部分的那些导电性较低的元素的示例包含硅、锗、硼、氮、氧。纳米颗粒的成分可以是均匀的，也可以是跨纳米颗粒在空间上变化的。成分跨纳米颗粒的厚度的空间分布可以是规则的，或是径向相关的或非均匀的。纳米颗粒在其表面上具有的成分或性质可以不同于其内部的成分或性质。金属的和/或导电性较低的元素可以在纳米颗粒上形成涂层，其与纳米颗粒内部的成分不同。纳米颗粒可以有多种几何形状，并且形状可以是不同，且在不同的纳米颗粒之间变化。对于不同的存储状态，接近纳米颗粒114的基体可具有高电阻或低电阻。纳米颗粒114分布在绝缘基体112内，大部分的纳米颗粒低于渗流阈值在空间上分布。
渗流阈值是形成渗流网络所需的最少颗粒数，且渗流网络是一个网络结构，其中单元颗粒是随机排列而互连的。对于渗流阈值，阈值是在以随机的方式填充纳米颗粒位点的情况下，当产生从结构(此情况下，层106)的一侧延伸到结构的另一侧的相邻纳米颗粒的连续路径时，可能的纳米颗粒位点阵列中的填充有纳米颗粒的纳米颗粒位点的分数。
本文上述描述针对的是通常的RRAM结构。应当理解，通常的RRAM结构可适用于比如下述的那些的其它RRAM装置。
图2是根据一个实施例的三维存储器装置200的截面示意图。装置200包括衬底202以及相互交替的绝缘层204和导电层206。在装置200操作期间，导电层206将作为电极操作。衬底202可包括任何合适的材料，例如硅、玻璃、塑料或任何合适的半导体材料。此外，应当理解，衬底202可包括多层，比如CMOS衬底。为了便于理解，已经示出为单层。
可使用众所周知的技术连续地沉积相互交替的绝缘层204和导电层206，沉积技术为例如化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、电镀(对导电层206的情况)、无电镀(对导电层206的情况)或其他合适的沉积技术。可用于绝缘层204中的合适的材料包括SiOx、SiNx、AlOx、AlNx、TiNx、TiOx、TaOx、TaNx、WOx、WNx、ZrOx、以及HfOx，其中表示成分的x可以是化学计量学的或非化学计量学的。合适的材料包括复合氧化物和氮化物以及氮氧化物，复合氧化物和氮化物中除了氧或氮外还含有多于一种元素，氮氧化物含有氧、氮以及一种或多种附加的元素。举例而言，绝缘基体可以是SiOxNy，TaOxNy，TazSiwOxNy以及其它多元素系统，其中x、y、z和w表示成分。应当预见，CMOS结构中典型使用的其它绝缘材料也可以用于绝缘层204。ALD和CVD尤其适合将材料沉积在具有高深宽比特征的结构上或结构中，比如用于三维存储结构。导电层206可以包括导电材料，导电材料为比如铜、钯、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、钼、铂、钽、及其合金。
在相互交替的绝缘层204和导电层206形成之后，可以穿过其形成通孔或沟槽208以暴露衬底202。之后，可以将RRAM材料层210沉积在通孔或沟槽208中。在一个实施例中，在沉积RRAM材料层210之前，可以将成核层(未显示)沉积在通孔或沟槽208中。由于通孔或沟槽208的高深宽比，可以通过ALD来沉积RRAM材料层210。在一个实施例中，深宽比可以是10:1或以上，并且可以形成三维存储结构的一部分。RRAM材料层210包括绝缘基体112，绝缘基体112具有其中设置的多个纳米颗粒114，如上面图1中所述。在RRAM材料层210上，形成电极212。电极212可以包括导电材料，导电材料为比如铜、钯、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、铂、钽、及其合金。
图3是根据另一实施例的三维存储器装置300的立体示意图。如图3所示，沟槽304存在于相互交替的绝缘层204和导电层206内。存在电极302，其从沟槽304的顶部延伸到沟槽304底部。应当预期，电极302可以沿沟槽304水平地延伸。电极302可以包括导电材料铜、钯、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、铂、钽、及其合金。
图4是根据另一实施例的三维存储器装置400的立体示意图。装置400包括第一电极402A-402E、第二电极404A-404D以及存储器元件406。存储元件406包含绝缘基体112，绝缘基体112具有设置于其中的多个纳米颗粒114，如上面图1中所述。
第一电极402A-402E全部设置在共同的平面上，并且实质上彼此平行地延伸。相反，第二电极404A-404D设置在与第一电极402A-402E所在的平面不同的平面上。然而，类似于第一电极402A-402E，第二电极404A-404D全部设置在共同的第二平面上，并且实质上彼此平行地延伸。第二电极404A-404D与第一电极402A-402E实质上垂直地延伸。第一电极402A-402E和第二电极404A-404D两者都可以包括导电材料，导电材料为比如铜、钯、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、铂、钽、及其合金。
如图4所示，存储元件406与第一电极402A-402E和第二电极404A-404D两者都实质上垂直。图4所示的三维布置允许存取单个存储器元件406。例如，通过将电流施加到电极402A和404A，存取一个独特的存储元件406A。同样，通过将电流施加到电极402B和404C，存取存储元件406B。
本文所描述的三维装置中所使用的存储器材料有利于在非易失性存储器中实现更高的容量，同时最小化每比特的成本。使用具有高电阻和低电阻两者的材料，允许高存储器状态和低存储器状态。用于绝缘材料的材料、纳米颗粒的材料和成分以及纳米颗粒成分的空间相关性，包括在纳米颗粒上的任何表面涂层，都影响存储器材料层的电调谐。因此，可以定制存储器材料层以满足用户的需要。此外，应当预见，可以将用于绝缘材料的材料的不同混合、用于纳米颗粒的材料、绝缘材料和纳米颗粒的空间依赖性应用在相同存储器材料层中的不同位置，以便实现存储器装置内的存储器的定制化。
前述内容针对的是本公开的实施例，可以在不背离其基本范围的情况下，可以设想本公开的其它的实施例，以及进一步的实施例，本公开的范围由随附的权利要求来确定。
Claims (20)
1.一种非易失性存储器装置，包括：
第一电极；
第二电极；以及
第一存储器材料，所述第一存储器材料设置在所述第一电极和所述第二电极之间，其中所述第一存储器材料包括绝缘材料，所述绝缘材料具有分布在所述绝缘材料内的多个金属纳米颗粒，其中所述纳米颗粒低于渗流阈值分布，并且其中所述金属纳米颗粒选自由以下材料组成的组：钯、铂、铑、钌、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金，其中所述第一存储器材料包括纳米颗粒，所述纳米颗粒表面上的成分不同于所述纳米颗粒内部的成分，所述纳米颗粒表面包括选自由以下材料组成的组的材料：硅、锗、硼、氮、氧、钯、铂、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金。
2.如权利要求1所述的非易失性存储器装置，其中所述第一电极实质上垂直于所述第二电极。
3.如权利要求1所述的非易失性存储器装置，还包括：
第三电极，所述第三电极实质上平行于所述第一电极延伸；
第四电极，所述第四电极实质上平行于所述第二电极延伸；
第二存储器材料，所述第二存储器材料设置在所述第一电极和所述第四电极之间；以及
第三存储器材料，所述第三存储器材料设置在所述第三电极和所述第二电极之间。
4.如权利要求3所述的非易失性存储器装置，其中所述第二存储器材料和所述第三存储器材料各自包括绝缘材料，所述绝缘材料具有分布在所述绝缘材料内的多个金属纳米颗粒，其中所述纳米颗粒低于渗流阈值分布，并且其中所述金属纳米颗粒选自由以下材料组成的组：钯、铂、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金。
5.如权利要求1所述的非易失性存储器装置，还包括设置在所述第一电极和所述第一存储器材料之间的第一成核层。
6.如权利要求5所述的非易失性存储器装置，其中所述成核层包括：
与所述纳米颗粒材料相同的材料；或
与所述纳米颗粒材料不同的材料；或
具有比所述纳米颗粒材料更低的表面能的材料；或
所述成核层具有表面形貌，所述表面形貌具有表面粗糙度，在与所述第一电极的界面相垂直的表面上的粗糙度大于在与所述第一电极相接触的表面上的粗糙度；或
所述成核层在朝向基体的表面内具有高密度缺陷。
7.一种非易失性存储器装置，包括：
衬底；
设置在所述衬底上的第一绝缘层；
设置在所述第一绝缘层上的第一电极层；
设置在所述第一电极层上的第二绝缘层；
设置在所述第二绝缘层上的第二电极层；
设置在所述第二电极层上的第三绝缘层，其中穿过所述第三绝缘层、所述第二电极层、所述第二绝缘层、所述第一电极层以及所述第一绝缘层形成通孔或沟槽，以暴露所述衬底的一部分；
设置在所述通孔或沟槽内的存储器材料层，其中所述存储器材料包括绝缘材料，所述绝缘材料具有分布在所述绝缘材料内的多个金属纳米颗粒，其中大量的所述纳米颗粒低于渗流阈值分布，并且其中所述金属纳米颗粒选自由以下材料组成的组：钯、铂、铑、钌、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金，其中所述存储器材料包括纳米颗粒，所述纳米颗粒表面上的成分不同于所述纳米颗粒内部的成分，所述纳米颗粒表面包括选自由以下材料组成的组的材料：硅、锗、硼、氮、氧、钯、铂、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金；以及
设置在所述存储器材料层上的与所述存储器材料物理接触的多个上电极。
8.如权利要求7所述的非易失性存储器装置，其中所述绝缘材料选自由以下材料组成的组：SiOx、SiNx、AlOx、AlNx、TiNx、TiOx、TaOx、TaNx、WOx、WNx、ZrOx和HfOx、复合金属氧化物、复合氮化物以及复合氮氧化物。
9.如权利要求7所述的非易失性存储器装置，其中所述上电极实质上垂直于所述第一电极和所述第二电极。
10.如权利要求7所述的非易失性存储器装置，其中所述存储器材料层设置在所述沟槽内。
11.如权利要求7所述的非易失性存储器装置，其中所述存储器材料包括分散在其中的掺杂剂。
12.如权利要求11所述的非易失性存储器装置，其中所述纳米颗粒还包括选自由以下材料组成的组的材料：硅、锗、硼、氮、氧、钯、铂、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金。
13.一种制造非易失性存储器装置的方法，包括：
在第一电极上沉积存储器材料，其中第一存储器材料包括绝缘材料，所述绝缘材料具有分布在所述绝缘材料内的多个金属纳米颗粒，其中所述纳米颗粒低于渗流阈值分布，并且其中所述金属纳米颗粒选自由以下材料组成的组：钯、铂、铑、钌、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金，其中所述第一存储器材料包括纳米颗粒，所述纳米颗粒表面上的成分不同于所述纳米颗粒内部的成分，所述纳米颗粒表面包括选自由以下材料组成的组的材料：硅、锗、硼、氮、氧、钯、铂、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金；且其中所述沉积包括原子层沉积或化学气相沉积；以及
形成与所述存储器材料物理接触的多个上电极。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述存储器材料还包括非金属元素。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述绝缘材料选自由以下材料组成的组：SiOx、SiNx、AlOx、AlNx、TiNx、TiOx、TaOx、TaNx、WOx、WNx、ZrOx和HfOx、复合金属氧化物、复合氮化物以及复合氮氧化物。
16.一种三维非易失性存储器装置，包括：
与多个绝缘层交替的多个导电层，其中所述多个导电层和所述多个绝缘层设置在衬底上，其中穿过所述多个导电层和所述多个绝缘层形成通孔或沟槽，以暴露所述衬底；
沿所述多个导电层和所述多个绝缘层设置在所述通孔或沟槽内的存储器材料，其中所述存储器材料包括绝缘材料，所述绝缘材料具有分布在所述绝缘材料内的多个金属纳米颗粒，其中所述纳米颗粒低于渗流阈值分布，并且其中所述金属纳米颗粒选自由以下材料组成的组：钯、铂、铑、钌、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金，其中第一存储器材料包括纳米颗粒，所述纳米颗粒表面上的成分不同于所述纳米颗粒内部的成分，所述纳米颗粒表面包括选自由以下材料组成的组的材料：硅、锗、硼、氮、氧、钯、铂、铑、钌、镍、金、银、铝、钛、钨、锆、锡、钼、铬、钽、铪、钒、及其合金；以及
设置在所述存储器材料上的与所述存储器材料物理接触的多个电极。
17.如权利要求16所述的三维非易失性存储器装置，其中所述绝缘材料选自由以下材料组成的组：SiOx、SiNx、AlOx、AlNx、TiNx、TiOx、TaOx、TaNx、WOx、WNx、ZrOx和HfOx、复合金属氧化物、复合氮化物以及复合氮氧化物。
18.如权利要求16所述的三维非易失性存储器装置，还包括设置在所述多个导电层和所述存储器材料之间的第一成核层。
19.如权利要求18所述的三维非易失性存储器装置，其中所述成核层包括与所述纳米颗粒材料相同的材料，或与所述纳米颗粒材料不同的材料，或具有比所述纳米颗粒材料更低的表面能的材料，或所述成核层具有表面形貌，所述表面形貌具有表面粗糙度，在朝向层的一侧上的所述表面粗糙度大于朝向材料的相反侧上的表面粗糙度，或所述成核层在其表面中具有高密度缺陷。
20.如权利要求18所述的三维非易失性存储器装置，其中所述存储器材料包括纳米颗粒，所述纳米颗粒表面上的成分或性质不同于所述纳米颗粒内部的成分或性质。
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