CN113196510A - 选择器件及利用其的存储器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了选择器件及包括其的存储器件。本发明实施例的选择器件可提供高集成存储单元，因具有高可靠性及高选择率而能够在没有漏电的情况下选择所需的单元。

Description

选择器件及利用其的存储器件
技术领域
本发明涉及选择器件及利用其的存储器件，更详细地，提供如下的选择器件及利用其的存储器件，即，利用掺杂有金属的选择层的金属浓度分布差和用于维持金属浓度分布差的防扩散层来实现高可靠性和高选择率。
背景技术
迄今为止，半导体相关产业基于20世纪80年代的小型化、集成化及20世纪90年代的超小型化、高集成化已成功发展。
这种成功以即使在器件尺寸变小的情况下也能够维持工作原理为基础。
因此，在现有技术方式的延伸线上以进一步提高其技术为方向进行了所有研究开发，并且，当前取得了非常大的成功。
但是，随着信息化和通信化的快速发展，半导体器件也逐渐需要更快速处理信息的能力及提高系统性能的能力，为此，作为核心部件的存储器件必须实现超高速化、超高集成化及超节电化。
因此，对于可超高集成化的非易失性存储器件的需求正逐渐增加，以便存储大容量的信息。
最近，作为新一代的非易失性存储器件有相变随机存取存储器(PRAM，PhaseChange RAM)、纳米晶浮栅存储器(NFGM，Nano Floating Gate Memory)、可变电阻式存储器(ReRAM)、聚合物随机存取存储器(PoRAM，Polymer RAM)、磁随机存储器(MRAM，MagneticRAM)、分子存储器(Molecular memory)等，而这种新一代存储器的开发正朝着实现动态随机存取存储器(DRAM)的高集成性和低耗电、闪存的非易失性及静态随机存取存储器(SRAM)的工作效率为目的进行发展。
虽然为了增加这种新一代非易失性存储器件的集成度，正在开发交叉点(crosspoint)单元阵列，但是，由于交叉点单元阵列的固有特性，使得在相邻单元之间产生因潜电流引起的干扰现象，从而导致在数据的读取工作等产生错误。
虽然，为了克服上述问题而向各个单元提供了选择器件，但是，因现有选择器件的低选择率而难以实现存储器件的超高集成。
发明内容
技术问题
根据本发明的一实施例，本发明的目的在于，提供如下的选择器件，即，适用于交叉点(cross-point)存储器件，具有107以上的高选择率及1012周期(cycles)以上的高可靠性。
根据本发明的一实施例，本发明的另一目的在于，提供如下的存储器件，即，可通过将具有高选择率及高可靠性的选择器件适用于交叉点存储器件来在没有漏电的情况下大幅提高集成度。
技术方案
本发明一实施例的选择器件包括：第一电极；第二电极，与上述第一电极相向配置；至少一个选择层，配置在上述第一电极与上述第二电极之间，包括金属浓度分布；以及防扩散层，配置在上述第一电极、上述第二电极及上述至少一个选择层之间，用于防止上述金属的扩散。
由于上述至少一个选择层分别具有互不相同的金属掺杂浓度，因此，可具有金属浓度分布差。
上述防扩散层可通过防止掺杂在上述至少一个选择层的金属扩散至相邻层来维持上述至少一个选择层之间的金属浓度分布差。
上述防扩散层可通过调节厚度来控制上述金属浓度分布。
上述第一电极及上述第二电极的物质可以为选自铂(Pt)、钨(W)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、金(Au)、钌(Ru)、铱(Ir)、钯(Pd)、钛(Ti)、铪(Hf)、钼(Mo)及铌(Nb)中的至少一种。
上述选择层的物质可以为选自由硫化锗(GeS)、硒化锗(GeSe)、碲化锗(GeTe)、硫化硅(SiS)、硒化硅(SiSe)、碲化硅(SiTe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、硫化锑(SbS)、硒化锑(SbSe)及碲化锑(SbTe)组成的硫系(Chalcogenide)物质或由三氧化二铝(Al2O3)、一氧化镁(MgO)、三氧化二铬(Cr2O3)、二氧化锰(MnO2)、三氧化二铁(Fe2O3)、四氧化三钴(Co3O4)、一氧化镍(NiO)、二氧化铈(CeO2)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化铜(CuO)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化钛(TiO2)、一氧化锌(ZnO)、二氧化铪(HfO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化二铟(In2O3)、二氧化锡(SnO2)及三氧化二钨(W2O3)组成的二元氧化(binaryoxide)物质中的至少一种。
掺杂在掺杂有上述金属的选择层的上述金属可以为选自银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)及钛(Ti)中的至少一种。
上述防扩散层可以为选自氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)、氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)及氮化铪(HfN)中的至少一种。
根据本发明另一实施例的存储器件包括：相互交叉的多个第一配线及多个第二配线；多个存储层，形成在上述多个第一配线与上述多个第二配线相互交叉的位置；以及多个权利要求1至8所述的选择器件，形成在上述多个存储层与上述多个第一配线之间或上述多个存储层与上述多个第二配线之间。
上述存储器件可以为相变存储器(PCRAM，Phase-Changed RAM)、阻变存储器(RRAM，Resistive RAM)或磁随机存储器(Magnetic RAM)。
发明的效果
根据本发明的一实施例，本发明提供的选择器件具有如下效果，即，适用于交叉点(cross-point)存储器件，具有107以上的高选择率及1012周期(cycles)以上的高可靠性。
根据本发明一实施例，本发明提供的存储器件具有如下效果，即，可通过将具有高选择率及高可靠性的选择器件适用于交叉点(cross-point)存储器件来在没有漏电的情况下大幅提高集成度。
附图说明
图1为示出本发明一实施例的选择器件的图；
图2为示出通过二次离子质谱分析(SIMS，Secondary Ion Mass Spectrometry)来分析本发明一实施例的选择器件的曲线图；
图3为将通过二次离子质谱分析(SIMS，Secondary Ion Mass Spectrometry)来按照本发明一实施例的选择器件的深度分析的铜浓度的曲线图与选择器件重叠示出的图；
图4为示出本发明一实施例的选择器件的电流-电压(I-V)的曲线图；
图5a及图5b为示出在本发明一实施例的选择器件中随着防扩散层的厚度变化产生改变的铜浓度分布的图；
图6为示出在本发明一实施例的选择器件中随着写入耐久性周期变化的电流的图；
图7a及图7b为示出在本发明一实施例的选择器件中随着单元的直径尺寸产生变化的本发明的选择器件的门槛电压、截止(off)电流及选择率特性的曲线图；
图8a及图8b为示出在本发明一实施例的选择器件中随着第二选择层的厚度变化产生的本发明的选择器件的门槛电压、截止电流及选择率特性的曲线图；
图9为示出本发明另一实施例的存储器件的图。
具体实施方式
以下，虽然参照附图及附图中所记载的内容详细说明了本发明的一实施例，但是，本发明并不受限于或限定于实施例。
本说明书使用的术语仅用于说明实施例，并不具有限制本发明的含义。在本说明书中，除非存在特别的含义，否则单数表达也可包括复数表达。在说明书中所使用的“包括(comprises)”和/或“包含(comprising)”是指在所提及的结构要素、步骤、动作和/或器件中还存在或包括一个或一个以上的其他结构要素、步骤、动作和/或器件，并不具排除性含义。
在本说明书中所使用的“实施例”、“例如”、“层面”、“例示”等无法以所说明的任何实施方式(aspect)或设计相比于其他实施方式或设计更优秀或具有优点的含义加以解释。
并且，如“或”的术语是指包括性的“同或(exclusive or)”，而并非排除性的“异或(exclusive or)”。即，除非另有说明或在文脉上明确表示，否则如“x利用a或b”的表达方式具有包括自然排列(natural inclusive permutations)中的任一个的含义。
并且，除非另有说明或在文脉上明确表示单数表达方式，否则在本说明书及权利要求书中所使用的单数表达“一个(a)或一种(an)”通常应以“一个以上”的含义加以解释。
在以下说明中所使用的术语为选自相关技术领域中通常使用或普遍使用的术语中选择的，根据技术的发展和/或变化、惯例、技术人员的喜好等，可具有其他术语。因此，应当理解的是，在以下说明中所使用的术语并不限定本发明的技术思想，应以用于说明实施例而例示的术语加以解释。
并且，在特定情况下也可具有申请人任意选定的术语，在此情况下，所对应的说明部分中可记载有其详细说明。因此，应基于其术语的所具有的含义及本说明书全文内容来理解以下说明中所使用的术语，而并非单纯以术语的名称来理解。
另一方面，虽然第一、第二等术语可用于说明多种结构要素，但是，结构要素并不限定于术语。术语仅以从一个结构要素中区别其他结构要素为目的使用。
并且，当膜、层、区域、结构要素等部分放置在其他部分的“上方”或“上侧”时，不仅包括放置在其他部分的正上方的情况，而且还包括在其之间介有其他膜、层、区域、结构要素等的情况。
若无其他定义，则在本说明书中使用的所有术语(包括技术术语及科学术语)具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。并且，除非明确定义，否则在常用词典中定义的术语无法以理想或过度的方式加以解释。
另一方面，在说明本发明的过程中，当判断对于相关公知功能或结构的具体说明有可能不必要地混淆本发明的主旨时，将省略其详细说明。而且，在本说明书中使用的术语(terminology)作为用于适当表达本发明一实施例而使用的术语，可根据使用人员、操作人员的意图或本发明所属技术领域的惯例等产生变化。因此，应基于本说明书全文内容定义本发明的术语。
以下，参照附图详细说明本发明一实施例的复合层叠器件的制造方法。
图1为示出本发明一实施例的选择器件的图。
参照图1，本发明一实施例的选择器件100形成依次层叠第一电极110、第一选择层130、防扩散层140、第二选择层150、防扩散层140、第一选择层130、防扩散层140、第二选择层150、防扩散层140、第一选择层130、防扩散层140及第二电极120的结构。
在此情况下，第一选择层130及第二选择层150具有金属浓度分布，第一选择层130的金属浓度分布和第二选择层150的金属浓度分布相互存在差异，相比于第二选择层150的金属浓度，第一选择层130的金属浓度具有相对较高的分布结构。
并且，参照图1的结构，三层的第一选择层130及两层的第二选择层150分别以相互隔开的方式形成，而每层之间的金属浓度也可互不相同。
例如，在图1的层叠结构中更相邻于第一电极110的第一选择层130和位于图1的层叠结构的中心的第一选择层130的金属浓度可互不相同。
并且，在图1的层叠结构中更相邻于第一电极110的第二选择层150和在图1的层叠结构中更相邻于第二电极120的第二选择层150的浓度可互不相同。
在本发明一实施例的选择器件100中，第一选择层130及第二选择层150的物质可以为选自由硫化锗(GeS)、硒化锗(GeSe)、碲化锗(GeTe)、硫化硅(SiS)、硒化硅(SiSe)、碲化硅(SiTe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、硫化锑(SbS)、硒化锑(SbSe)及碲化锑(SbTe)组成的硫系(Chalcogenide)物质或由三氧化二铝(Al2O3)、一氧化镁(MgO)、三氧化二铬(Cr2O3)、二氧化锰(MnO2)、三氧化二铁(Fe2O3)、四氧化三钴(Co3O4)、一氧化镍(NiO)、二氧化铈(CeO2)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化铜(CuO)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化钛(TiO2)、一氧化锌(ZnO)、二氧化铪(HfO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化二铟(In2O3)、二氧化锡(SnO2)及三氧化二钨(W2O3)组成的二元氧化(binary oxide)物质中的至少一种。
并且，第一选择层130及第二选择层150的金属通过掺杂(doping)工序注入金属离子形成，可根据掺杂程度来使得各个选择层体现金属浓度分布的差异。
在本发明一实施例的选择器件100中，掺杂在第一选择层130及第二选择层150的金属可以为选自银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)及钛(Ti)中的至少一种。
参照图1，本发明一实施例的选择器件100的防扩散层140通过防止金属扩散至相邻于防扩散层140的上部或下部的第一选择层130或第二选择层150来抑制金属扩散时产生的金属浓度分布的变化，从而起到恒定维持已设分布的作用。
即，本发明一实施例的选择器件100的特征在于，使得在制造时设计的各层的金属浓度分布保持不变。
并且，可通过调节防扩散层140的厚度来进一步详细调节本发明一实施例的选择器件100的金属浓度分布。
以下，通过图5a及图5b进一步详细说明基于防扩散层140的厚度来调节的金属浓度分布。
本发明一实施例的选择器件100的防扩散层140的物质可以为选自氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)、氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)及氮化铪(HfN)中的至少一种。
并且，本发明一实施例的选择器件100的第一电极110及第二电极120的物质可以为选自铂(Pt)、钨(W)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、金(Au)、钌(Ru)、铱(Ir)、钯(Pd)、钛(Ti)、铪(Hf)、钼(Mo)及铌(Nb)中的至少一种。
当向选择器件100施加电压时，本发明一实施例的上述选择器件100的工作可根据所施加的电压来在选择器件层内形成(@Vth)铜丝(Cu-filament)，在此情况下，电流(on-current)将急剧增加。
而且，当未导入电压时，因铜的扩散而导致丝自身被切断，使得电流降低至原来程度(off-current)。
即，本发明一实施例的选择器件100通过导入的电压来形成(on-current)或切断(off-current)铜丝。
以下，参照图2至图8b进一步详细说明本发明一实施例的选择器件100的详细结构及细节特性。
图2为示出通过二次离子质谱分析(SIMS，Secondary Ion Mass Spectrometry)来分析本发明一实施例的选择器件的曲线图。
参照图2可以确认，在图2的选择器件中，对各层的组成物质进行说明，第一电极110为钨(W)，第二电极120为铂(Pt)，第一选择层130及第二选择层150为硒化锗(GeSe)，掺杂在第一选择层130及第二选择层150的金属为铜(Cu)，防扩散层为氮化钛(TiN)。
图3为将通过二次离子质谱分析(SIMS，Secondary Ion Mass Spectrometry)来按照本发明一实施例的选择器件的深度分析的铜浓度的曲线图与选择器件重叠示出的图。
参照图3可以确认，本发明一实施例的选择器件每秒从第一电极110检测到的第一选择层130的铜离子为2.0×104counts/s，每秒从形成于其上部的第二选择层150检测到的铜离子为3.5×103counts/s，每秒从形成于其上部的第一选择层130检测到的铜离子为5.0×104counts/s，每秒从形成于其上部的第二选择层150检测到的铜离子为2.5×103counts/s，每秒从形成于其上部的第一选择层130检测到的铜离子为2.0×104counts/s。
从图3可以确认，本发明一实施例的选择器件的铜浓度分布具有如下形态，即，由具有高浓度的第一选择层130形成的峰部和由具有相对较低铜浓度的第二选择层150形成的沟部反复形成。
图4为示出本发明一实施例的选择器件的电流-电压(I-V)的曲线图。
参照图4可以确认，本发明一实施例的选择器件具有0.65V的门槛电压(Vth)，具有1.9×107选择率的场辅助超线性阈值(FAST，Field-Assisted Superlinear Threshold)选择器件特性。
因此，本发明具有如下优点，即，可提供具有高可靠性和高选择率的选择器件。
图5a及图5b为示出在本发明一实施例的选择器件中随着防扩散层的厚度变化产生改变的铜浓度分布的图。
更详细地，图5a及图5b分别示出了具有相同层叠结构的选择器件在两种情况下比较铜浓度分布的图，即，在形成20nm至100nm厚度的氮化钛(TiN)防扩散层的情况(图5a)和在形成0nm至20nm厚度的氮化钛(TiN)防扩散层的情况(图5b)。
参照图5a可以确认，铜浓度具有峰形态的位置与形成第一选择层的位置相同。
相反，参照图5b可以确认，铜浓度具有峰形态的位置与形成第一选择层及第二选择层的位置相同。
即，图5a的铜浓度分布为具有三个峰的形态，图5b的铜浓度分布为具有五个峰的形态，这是因为，当形成厚度小于20nm的防扩散层时，因铜的一部分扩散至相邻的选择层而引起的现象。
因此，具有可轻松将铜浓度分布控制成所需形态的优点。
图6为示出在本发明一实施例的选择器件中随着写入耐久性周期变化的电流的图。
参照图6可以确认，在本发明一实施例的选择器件中，作为导通(on)电压的1.2V下的每周期电流和作为截止(off)电压的0.6V下的每周期电流在没有减少现象的情况下维持恒定电流。
并且，在0.1V的电压下的选择率为1.27×103，而并非当测定截止电流时因测定设备的分解能力限制导致的107以上的选择率。
由此，可确认本发明一实施例的选择器件具有较高的使用寿命。
图7a及图7b为示出在本发明一实施例的选择器件中随着单元的直径尺寸产生变化的本发明的选择器件的门槛电压、截止(off)电流及选择率特性的曲线图。
图7a为随着单元的直径尺寸产生变化的电流-电压曲线图，图7b为在电流-电压曲线图中标记(plot)所确认到的门槛电压、截止(off)电流、选择率的数据的曲线图。
通过分别具有34nm、113nm、218nm、618nm、1921nm的直径尺寸的器件来测定单元的直径尺寸，并且与单元的直径尺寸无关，均具有约0.4V的门槛电压。
随着单元的直径尺寸增加至34nm、113nm、218nm、618nm、1921nm，截止电流值与单元的面积成正比增加到5×10-13A、2.6×10-12A、6.9×10-12A、4.8×10-11A、3.5×10-9A。
而且，随着单元的直径尺寸增加至34nm、113nm、218nm、618nm、1921nm，选择率分别为2.0×106、3.9×106、1.5×106、2.1×105、2.8×104。
图8a及图8b为示出在本发明一实施例的选择器件中随着第二选择层的厚度变化产生的本发明的选择器件的门槛电压、截止电流及选择率特性的曲线图。
图8a为随着第二选择层的厚度产生变化的电流-电压曲线图，图8b为在电流-电压曲线图中标记(plot)所确认到的门槛电压、截止(off)电流、选择率的数据的曲线图。
通过分别具有5nm、10nm、15nm、20nm、25nm厚度的器件来测定第二选择层的厚度，在具有5nm厚度的器件中未产生选择器件特性。
随着第二选择层的厚度增加至10nm、15nm、20nm、25nm，门槛电压也增加到0.4V、0.65V、0.9V、1.88V，相反，截止(off)电流值减少至2.6×10-12A、2.0×10-13A、2.0×10-13A、1.0×10-13A。
而且，随着第二选择层的厚度增加至10nm、15nm、20nm、25nm，选择率分别为3.9×106、1.5×107、5.0×106、5.0×106。
最终，当第二选择层的厚度为15nm时，选择率为最大值。
图9为示出本发明另一实施例的存储器件的图。
参照图9，本发明另一实施例的存储器件200包括：多个第一配线210，与多个第二配线220相互交叉；多个第二配线220，与多个第一配线210相互交叉；多个存储层230，形成在多个第一配线210与多个第二配线220相互交叉的位置；以及选择器件100，形成在多个存储层230与多个第一配线210之间或多个存储层230与多个第二配线220之间。
在此情况下，选择器件100为上述本发明一实施例的选择器件100。
并且，多个存储层230可以为相变层、电阻变化层或磁电阻层，由此，本发明另一实施例的存储器件200可以为相变存储器(PCRAM，Phase-Changed RAM)、阻变存储器(RRAM，Resistive RAM)或磁随机存储器(Magnetic RAM)。
如上所述，当将本发明一实施例的选择器件100适用于本发明另一实施例的存储器件200时，本发明一实施例的选择器件100具有如下优点，即，因具有107以上的高选择率及1012周期以上的高可靠性而能够制造高性能的存储器件。
另一方面，在本说明书及附图中公开的实施例仅为用于理解本发明而提出的特定例，并不具有限定本发明范畴的含义。显而易见的是，除在此公开的实施例外，本发明所属技术领域的普通技术人员还可基于其他实施方式实现本发明的技术思想。

Claims (10)

1.一种选择器件，其特征在于，包括：
第一电极；
第二电极，与上述第一电极相向配置；
至少一个选择层，配置在上述第一电极与上述第二电极之间，包括金属浓度分布；以及
防扩散层，配置在上述第一电极、上述第二电极及上述至少一个选择层之间，用于防止上述金属的扩散。
2.根据权利要求1所述的选择器件，其特征在于，
上述至少一个选择层由至少一个第一选择层及至少一个第二选择层组成，
上述至少一个第一选择层及上述至少一个第二选择层分别具有互不相同的金属掺杂浓度，具有金属浓度分布差。
3.根据权利要求1所述的选择器件，其特征在于，上述防扩散层通过防止掺杂在上述至少一个选择层的金属扩散至相邻层来维持上述至少一个选择层之间的金属浓度分布差。
4.根据权利要求1所述的选择器件，其特征在于，上述防扩散层能够通过调节厚度来控制上述金属浓度分布。
5.根据权利要求1所述的选择器件，其特征在于，上述第一电极及上述第二电极的物质为选自铂、钨、氮化钛、氮化钽、金、钌、铱、钯、钛、铪、钼及铌中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的选择器件，其特征在于，上述选择层的物质为选自由硫化锗、硒化锗、碲化锗、硫化硅、硒化硅、碲化硅、硫化锌、硒化锌、碲化锌、硫化锑、硒化锑及碲化锑组成的硫系物质或由三氧化二铝、一氧化镁、三氧化二铬、二氧化锰、三氧化二铁、四氧化三钴、一氧化镍、二氧化铈、二氧化锆、二氧化硅、氧化铜、五氧化二钽、二氧化钛、一氧化锌、二氧化铪、二氧化钼、三氧化二铟、二氧化锡及三氧化二钨组成的二元氧化物质中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的选择器件，其特征在于，掺杂在掺杂有上述金属的选择层的上述金属为选自银、铜、镍及钛中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的选择器件，其特征在于，上述防扩散层为选自氮化钛、氮化钽、氮化钨、氮化硅、氮化铝及氮化铪中的至少一种。
9.一种存储器件，其特征在于，包括：
相互交叉的多个第一配线及多个第二配线；
多个存储层，形成在上述多个第一配线与上述多个第二配线相互交叉的位置；以及
多个权利要求1至8所述的选择器件，形成在上述多个存储层与上述多个第一配线之间或上述多个存储层与上述多个第二配线之间。
10.根据权利要求9所述的存储器件，其特征在于，上述存储器件为相变存储器、阻变存储器或磁随机存储器。
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