CN1574363A - 包括开关器件和电阻材料的非易失存储器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种包括一晶体管和一电阻材料的非易失存储器及其制造方法。所述非易失存储器包括一衬底、一形成于所述衬底上的晶体管和一连接至所述晶体管的漏极的数据存储单元。所述数据存储单元包括在不同电压范围具有不同电阻性能的数据存储材料层。
Description
技术领域
本发明涉及一种非易失存储器,更具体地,涉及一种包括一个晶体管和一种电阻材料的非易失存储器,在电阻材料中写入了数据,以及涉及一种制造非易失存储器的方法。
背景技术
包括一个晶体管和一种电阻材料(下文中的1T-1R)的传统存储器的例子是参数随机存取存储器(parameter random access memory,PRAM)。
PRAM中所用的电阻材料是硫族化物材料(calcogenide material)。硫族化物材料可以是非结晶或结晶状态,这取决于制造温度。当硫族化物材料呈非结晶状态时它的阻值高,而当它呈结晶状态时阻值低。
PRAM是非易失存储器,通过改变硫族化物电阻材料的状态来读取和写入数据。
很难通过传统DRAM工艺对使用具有优良抗蚀性能的电阻材料的传统非易失存储器,例如PRAM进行蚀刻。即使可用DRAM工艺蚀刻非易失存储器,这需要相当大量的时间。于是,在包括1T-1R的传统非易失存储器的情况下,由于生产率低而增加制造成本,由此不能获得产品的竞争优势。
发明内容
本发明提供具有一个开关器件如晶体管(Tr)或二极管和一种电阻材料的非易失存储器,和涉及可以用较低制造成本批量加工非易失存储器的制造方法。电阻材料的存储性能不会直接影响存储装置的集成度。
按照本发明的一方面,提供一种非易失存储器,包括一晶体管和一连接至所述晶体管的漏极的数据存储单元,其中所述数据存储单元包括一数据存储材料层。所述数据存储材料层在第一电压范围表现出第一阻值特性和在第二电压范围表现出第二阻值特性。第一电压范围不同于第二电压范围,且第一阻值特性不同于第二阻值特性。
可以在数据存储材料层的上和下表面上分别形成一上部电极和一下部电极。
可以在下部电极和衬底之间形成一层间绝缘层,在层间绝缘层中形成露出漏极的接触孔,以及可以用导电塞填充所述接触孔。
所述数据存储材料层可以是其电阻值在预定电压范围内陡然增加的过渡金属氧化物层。
根据本发明的另一方面,提供一种非易失存储器,包括一具有开关功能的二极管和一连接至所述二极管的数据存储单元,其中所述数据存储单元包括一数据存储材料层,所述数据存储材料层与上文中描述的相同。
根据本发明的又一方面,提供一种制造非易失存储器的方法,该非易失存储器包括一衬底、一形成于所述衬底上的晶体管和一连接至所述晶体管漏极的数据存储单元,所述方法包括:顺序地形成一下部电极、一数据存储材料层、和一上部电极以形成所述数据存储单元,其中所述数据存储材料层由在不同电压范围具有不同阻值特性的材料层形成。
所述材料层可以由电阻值在所述电压范围内陡然增加的过渡金属氧化物层形成。
根据本发明的又一方面,提供一种制造非易失存储器的方法,包括:在衬底上形成一二极管;和形成与所述衬底上的所述二极管连接的数据存储单元,其中通过顺序地形成一连接所述二极管的下部电极、一数据存储材料层和一上部电极而形成所述数据存储单元。
所述数据存储材料层可以由在不同电压范围具有不同阻值特性的材料层形成。数据存储材料层与上文中描述的相同。
因此,按照本发明的特定实施例,因为用过渡金属氧化物层作为电阻材料,可以采用传统DRAM制造工艺。于是,提高了产量和降低了制造成本。而且,电阻材料的存储性能不会改变,即使其尺寸因更高集成密度而减小时也是如此,这是因为利用了电阻材料的阻值变化来读取和写入数据。此外,由于写入到电阻材料层的数据可被非破坏性地读取,因此电阻材料维持读取数据前的相同状态,且降低了工作电压。于是,在读取数据后,不需要恢复处理。
附图说明
通过参考附图对本发明示例性实施例的详细阐述,本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显,在附图中:
图1是根据本发明一实施例的非易失存储器的剖面图;
图2是图1的非易失存储器的电路图;
图3是根据本发明在图1中示出的非易失存储器的变化例的剖面图;
图4是示出当图1的非易失存储器中的数据存储材料层是NiO层时电压-电流特性的示意图;
图5是示出当图1的非易失存储器中的数据存储材料层是TiO2层时电压-电流特性的示意图;
图6是示出当数据存储材料是NiO层时,加在图1的非易失存储器上的电压脉冲的示意图;
图7是示出当数据存储材料是TiO2层时,加在图1的非易失存储器上的电压脉冲的示意图;
图8是示出用二极管替换图2电路中的晶体管的情况的示意图;以及
图9是示出根据所执行的加工顺序制造图1的非易失存储器的方法的方块图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地阐述本发明,在附图中示出了其示例性实施例。但是,本发明可以实施为多种形式,且不应当理解为被这里公开的实施例所限制;而是提供这些实施例来使得本发明的公开更充分和完整,并将本发明的概念传达给本领域内的技术人员。在附图中,为了清晰起见放大了元件的形状。为便于理解,全文附图中采用相同的参考数字表示相同的元件。
图1是根据本发明一实施例的非易失存储器的剖面图。
参考图1,具有一个晶体管和一种电阻材料的非易失存储器包括一衬底40、形成于衬底40上的晶体管、以及与晶体管的一部分连接的数据存储单元S。晶体管被形成在衬底40的上表面上,包括掺有导电杂质的源极42和漏极44以及位于在源极42和漏极44之间的沟道46上的栅极叠层材料48和50。栅极叠层材料48和50包括栅极绝缘层48和栅极电极50。数据存储单元S形成于漏极44上。数据存储单元S包括直接接触漏极44的下部电极52、堆叠在下部电极52上的数据存储材料层54、以及堆叠在数据存储材料层54上的上部电极56。数据存储材料层54是可变电阻材料层,其中阻值根据电压或电流脉冲的大小和方向而变化。可用作数据存储材料层54的可变电阻材料层优选的是过渡金属氧化物层,例如NiO、V2O5、ZnO、Nb2O5、TiO2、WO3、CoO层等。
过渡金属氧化物层具有值得注意的特性。即,如果在过渡金属氧化物层上施加特定电压或电流值且由此使得过渡金属氧化物层具有特定值,则过渡金属氧化物层维持特定值直到加上新的特定值。下文中将详细阐述过渡金属氧化物层的这种性质。
覆盖晶体管并围绕数据存储单元S的层间绝缘层60被形成在衬底40上。去除形成于上部电极56上的层间绝缘层60部分以暴露上部电极56的上表面。堆叠在层间绝缘层60上的板电极58被连接至上部电极56的暴露表面的前面。板电极58和上部电极56可以用相同的材料形成。
电流放大器61被连接至漏极44并且检测和放大漏极电流Id。
图2是图1的非易失存储器的电路图。在图2中,Tr表示晶体管,且Rv表示对应于数据存储材料层54的可变电阻材料。
图3是根据本发明在图1中示出的非易失存储器的变化例的剖面图。
参考图3,覆盖源极42、栅极叠层材料48和50、以及漏极44的第一层间绝缘层62被形成在衬底40上且具有平坦的上表面。在第一层间绝缘层62中形成接触孔h1。漏极44经由接触孔h1而露出。用导电塞64填充接触孔h1。在第一层间绝缘层62上形成覆盖导电塞64的数据存储单元S。在第一层间绝缘层62上形成覆盖数据存储单元S的第二层间绝缘层66,在第二层间绝缘层66中形成通孔h2以便露出数据存储单元S的上部电极56。在此处露出数据存储单元S的上部电极56。在第二层间绝缘层66上形成填充通孔h2的板电极58。
而数据存储单元S的元件可以不是叠置型。
例如,数据存储单元S的下部电极52可以具有圆筒形,且可以在下部电极52的表面上形成数据存储材料层54。或者下部电极52可以呈柱形,且可以在下部电极52的上表面上形成数据存储材料层54。
接下来,将参考图4和5阐述非易失存储器的数据存储单元S的性能。
图4是示出当数据存储材料层54是NiO层时数据存储单元S的电流-电压特性曲线图,和图5是示出当数据存储材料层54是TiO2层时数据存储单元S的电流-电压特性曲线图。
参考图4和5,水平轴表示加在数据存储单元S上的电压,垂直轴表示在源极42和漏极44间流动的漏极电流Id。
第一曲线G1示出数据存储单元S的阻值即数据存储材料层54的阻值减小时的情况,而第二曲线G2示出数据存储材料层54的阻值增加时的情况。
参考第一曲线G1,漏极电流Id随着加在数据存储材料层54上的电压成比例地变化。但是,当加在数据存储材料层54上的电压达到第一电压V1(V1>0)时,数据存储材料层54的阻值突然增加,且数据存储材料层54的漏极电流Id陡然降低。数据存储材料层54维持这种状态直至被加上第二电压V2(V2>V1)。即,当在ΔV(V1~V2)范围内的电压加到数据存储材料层54时,数据存储材料层54的阻值显著增加。然后,当加到数据存储材料层54的电压增加超过第二电压V2时,数据存储材料层54的阻值显著降低。在这种情况下,漏极电流Id的变化情况与当第一电压V1加到数据存储材料层54时发生的变化情况相同。数据存储材料层54的漏极电流Id的变化与所加电压成比例,并且与当低于第一电压V1的电压被施加时的情况是相同的。
数据存储材料层54的电流根据加在其上的电压而变化,即加在其上的电压是否大于第一电压V1还是小于第一电压V1。
尤其是,当第三电压V3(V3>V2)被加在数据存储材料层54上使得数据存储材料层54具有第一阻值时,以及当小于第一电压V1的电压加到数据存储材料层54时,数据存储材料层54具有如第一曲线G1所示的电流(电阻)值(下文中,称为第一情况)。
另一方面,当被加上预定电压V3(V1≤V≤V2)使得数据存储材料层54具有大于第一阻值的第二阻值时,如图4所示,和小于第一电压V1的电压被加在数据存储材料层54上,则数据存储材料层54具有如第二曲线G2所示的电流值(下文中,称为第二情况)。
第二情况中在预定电压下测得的电流大大小于在第一情况中测到的电流。第二情况中阻值大得多。这就是说在小于第一电压V1的预定电压处可以从数据存储材料层54测得这两种不同的电流。这两个电流值分别对应于数据存储材料层54中写入的数据“0”和“1”。
第一情况对应于在数据存储材料层54中存储的数据“1”,第二情况对应于在数据存储材料层54中存储的数据“0”。
用于第一和第二情况的数据“0”和“1”是可选择地设计的。即,第一情况可对应于在数据存储材料层54中存储的数据“0”,第二情况可以对应于在数据存储材料层54中存储的数据“1”。
当数据存储材料层54是TiO2层时,数据存储材料层54的电压-电流特性不同于图4中示出的电压-电流特性。
参考图5,第三和第五曲线G3和G5示出当负电压即小于第五电压V5(|V|≥|V5|>0)的电压加到数据存储单元S时的电压-电流特性,且数据存储材料层54的阻值显著降低。第四和第六曲线G4和G6示出当正电压即大于第四电压V4(V≥V4>0)的电压加到数据存储单元S时的电压-电流特性,且数据存储材料层54的阻值显著增加。
参考图5,当大于第四电压V4的电压被加到数据存储单元S后,数据存储材料层54的电压-电流特性在电压为正时成为第四曲线G4所示的情形,而在电压为负时成为第六曲线G6所示的情形。因此,当大于第四电压V4的电压加到数据存储单元S后,数据存储材料层54维持高阻值直到第五电压V5加到数据存储单元S(下文中,称为第三情况)。
而且,参考第三和第五曲线G3和G5,当小于第五电压V5的电压加到数据存储单元S后,数据存储材料层54的电压-电流特性在电压为负时成为第五曲线G5示出的情形,而在电压为正时成为第三曲线G3所示的情形。因此,当小于第五电压V5的电压加到数据存储单元S后,数据存储材料层54维持低阻值直至第四电压V4加到数据存储单元S(下文中,称为第四情况)。
在第三和第四情况中,在第五电压V5和第四电压V4之间的范围内数据存储材料层54具有两种不同的电流(或电阻)。这就是说,数据存储材料层54在上述电压范围内具有两种不同的状态,两种不同状态中的一种可以对应于数据“1”,而另一种可以对应于在数据存储材料层54中存储的数据“0”。
数据存储材料层54的上述两种状态取决于加到数据存储单元S的电压是大于第四电压V4还是小于第五电压V5。然而,由于加到数据存储材料层54以检测这些状态的电压是小于第四电压V4或是大于第五电压V5,因此,即使在检测完状态之后,数据存储材料层54维持它最初的状态。即,甚至在读取相关数据之后存储在数据存储材料层54中的数据被保留。
图6和7示出加到数据存储单元S以将数据写入数据存储材料层54中以及读取或擦除在数据存储材料层54中所写入数据的电压脉冲的示例。
具体地,图6示出当数据存储材料层54是NiO层时加在其上的电压脉冲,而图7示出当数据存储材料层54是TiO2层时加在其上的电压脉冲。
参考图6,第二写入电压脉冲VW2被加到数据存储材料层54以便写入数据例如“1”到数据存储材料层54中。第二写入电压脉冲VW2具有对应于图4的第三电压V3的值。第三读取电压脉冲VR3被加到数据存储材料层54以便读取在数据存储材料层54中存储的数据“1”。第三读取电压脉冲VR3具有低于图4的第一电压V1的电压。
参考图4的第一曲线,当第三电压V3施加到数据存储材料层54时,数据存储材料层54的阻值处于低的状态。当小于第一电压V1的电压加到数据存储材料层54时维持这种低的状态。接着,当小于第一电压V1的第三读取电压脉冲VR3加到数据存储材料层54时,流过数据存储材料层54的电流比当第一电压V1和第二电压V2间的电压加到数据存储材料层54时的电流大得多。这种结果表明在数据存储材料层54中写入了数据“1”。
第三写入电压脉冲VE2被加到数据存储材料层54以便将数据例如“0”写入数据存储材料层54中。第三写入电压脉冲VE2具有在第一和第二电压V1和V2之间的电压。因此,当小于第二写入电压脉冲VW2的第三写入电压脉冲VE2被加到数据存储材料层54时,数据存储材料层54的阻值显著增加(见图4)。当加到数据存储材料层54的电压脉冲低于第一电压V1时,数据存储材料层54维持这种状态(见图4的第二曲线G2)。
当第四读取电压脉冲VR4被加到数据存储材料层54以便从数据存储材料层54读取数据“0”时,第四读取电压脉冲VR4具有低于图4的第一电压V1的电压。另外,由于当第四读取电压脉冲VR4加到数据存储材料层54时读取数据“0”,因此从数据存储材料层54测得的电流比当读取数据“1”时测得的电流小得多。
通过简单地施加电压脉冲,该电压脉冲具有与在数据存储单元S中写入数据时所施加的电压脉冲相反的极性,将存储在数据存储材料层54中的数据擦除。
参考图7,第一写入电压脉冲VW1被加到数据存储材料层54以便将预定数据例如“1”写入到数据存储材料层54中。在数据存储单元S上施加第一读取电压脉冲VR1,以便读取通过施加第一写入电压脉冲VW1而在数据存储材料层54中存储的数据“1”。低于第一写入电压脉冲VW1的第一读取电压脉冲VR1具有高于零和低于第四电压V4的电压。
如上所述,尽管第一读取电压脉冲VR1被加到数据存储材料层54,数据存储材料层54的阻值特性不会改变,因为第一读取电压脉冲VR1具有不仅低于第一写入电压脉冲VW1而且与第一写入电压脉冲VW1极性相同的电压。于是,尽管第一读取电压脉冲VR1被加到数据存储材料层54,写入到数据存储材料层54中的数据不会被破坏和毁坏。
如上所述,当数据存储材料层54是TiO2层时,数据存储材料层54在第五电压V5下的阻值显著降低。因此,可以采用第五电压V5来擦除通过施加第一写入电压脉冲VW1而写入到数据存储材料层54中的数据。
参考图7,VE1表示对应于第五电压V5的第一擦除电压脉冲。如果第一擦除电压脉冲VE1(|VE1|>VR1)被加到数据存储材料层54,数据存储材料层54的阻值显著下降,且写入到数据存储材料层54中的数据被擦除。当数据存储材料层54的阻值低时,假定在数据存储材料层54中写入了数据“0”。在这种情况下,第一擦除电压脉冲VE1可以认为是施加用于将数据“0”写入到数据存储材料层54中的写入电压。
第二读取电压脉冲VR2被加到数据存储材料层54以便从数据存储材料层54中读取数据“0”。第二读取电压脉冲VR2低于第一擦除电压脉冲VE1的绝对值(VR2<|VE1|)。在这种情况下,尽管在将第一擦除电压脉冲VE1加到数据存储材料层54后施加第二读取电压脉冲VR2,在施加第一擦除电压脉冲VE1之后数据存储材料层54维持该阻值。
如上所述,根据加在数据存储材料层54上用来写入数据的电压,其具有不同电流值。因此,可以精确地读取在数据存储材料层54中写入的数据。另外,由于施加用于从数据存储材料层54读取数据的电压低于用于写入数据而施加到其上的电压,即使在读取数据之后数据存储材料层54的数据状态能够保持不变。因此,在读取数据后不需要在传统存储装置中进行的刷新处理。
同时,图2中用作开关器件的晶体管Tr可以由其它开关器件,例如二极管来替代,如图8所示。图8是包括一个二极管D和一个可变电阻材料Rv即1D-1R的非易失存储器的电路图。
下面将参考图9阐述制造图1的非易失存储器的方法。
参考图1和9,在步骤S1中在衬底40上形成晶体管。在步骤S2中,通过在衬底40的漏极44上顺序地形成下部电极52、数据存储材料层54和上部电极56,在衬底40上形成与晶体管的漏极44连接的数据存储单元S。数据存储材料层54可以由具有根据所加电压变化的电阻的过渡金属氧化物层。例如,可以采用NiO、V2O5、ZnO、Nb2O5、TiO2、WO3或CoO层。在步骤S3中,在衬底40上形成覆盖晶体管和数据存储单元S的层间绝缘层60。在步骤S4中,暴露出数据存储单元S的上部电极,和在数据存储单元S的上部电极56的暴露部分和层间绝缘层60上形成板电极58。当数据存储材料层54由NiO层形成时,板电极58可以用板焊接垫替代,所述板焊接垫与所有存储元(未示出)中所有的包括在数据存储单元中的上部电极相接触。
参考图3,当在数据存储单元S和衬底40之间形成第一层间绝缘层62以及在第一层间绝缘层62中形成露出漏极44的接触孔h1后,可以用导电塞64填充接触孔h1。另外,可以在第一层间绝缘层62上形成与导电塞64接触的数据存储单元S。
而且,可以将下部电极52和数据存储材料层54形成为非叠置型而不是叠置型。
尽管在附图中没有示出,当在衬底40上形成二极管后,可以在衬底40上形成与二极管连接的数据存储单元S。可以按照与上述相同的方式形成数据存储单元S。
如上所述,按照本发明的示例性实施例,包括1T-1R或1D-1R的非易失存储器包括具有如图4所示的电压-电流特性且易于加工的过渡金属氧化物层作为存储数据的电阻材料。因此,可以利用传统DRAM制造工艺,且可以在降低制造成本时实现高的产量。而且,即使电阻材料的尺寸由于高集成密度而减小,电阻材料的存储性能不会改变。这是因为数据的写入或读取利用电阻材料的阻值变化来实现。而且,因为写入到电阻材料中的数据被非破坏性的读出,即使在读取数据和加上更低的工作电压后,电阻材料的状态保持不变。于是,不需要在读取数据后进行传统存储装置中的刷新处理。
尽管在这里充分地阐述了本发明,但是,本发明可以实施为许多不同的方式,且不应当被这里列举的实施例所限制;相反地,提供这些实施例是使得公开的内容充分和完整,并且将本发明的构思充分地传达给本领域内的普通技术人员。例如,作为将过渡金属氧化物层用作数据存储材料层54的替代方式,可以采用另一种材料层,其具有所述数据在读取数据之后不会被破坏或损坏的电压-电流特性。
尽管参照本发明的示例性实施例具体显示和阐述了本发明,本领域内的普通技术人员应当理解,可以在其中做出各种形式和细节上的变化,而不会脱离由后附的权利要求所限定的本发明的精神和保护范围。
Claims (18)
1.一种非易失存储器,包括:
一衬底;
一形成于所述衬底上的晶体管;和
一连接至所述晶体管的漏极的数据存储单元,
其中所述数据存储单元包括在不同电压范围具有不同电阻性能的数据存储材料层。
2.如权利要求1所述的非易失存储器,其中所述数据存储单元包括一形成于所述数据存储材料层上的上部电极和一上面形成有所述数据存储材料层的下部电极。
3.如权利要求2所述的非易失存储器,其中在所述下部电极和所述衬底之间形成一层间绝缘层,在所述层间绝缘层中形成一露出所述漏极的接触孔,且用导电塞填充该接触孔。
4.如权利要求1所述的非易失存储器,其中所述数据存储材料层是在预定电压范围内电阻值陡然增加的过渡金属氧化物层。
5.如权利要求4所述的非易失存储器,其中所述过渡金属氧化物层是NiO、V2O5、ZnO、Nb2O5、TiO2、WO3和CoO层中的一种。
6.一种非易失存储器,包括:
一衬底;
一形成于所述衬底上的具有开关功能的二极管;和
一连接至所述二极管的数据存储单元。
7.如权利要求6所述的非易失存储器,其中所述数据存储单元包括在不同电压范围具有不同电阻性能的数据存储材料层。
8.如权利要求6所述的非易失存储器,其中所述数据存储单元包括一形成于所述数据存储材料层上的上部电极和一上面形成有数据存储材料层的下部电极。
9.如权利要求8所述的非易失存储器,其中在所述下部电极和所述衬底之间形成一层间绝缘层,在所述层间绝缘层中形成一露出所述漏极的接触孔,且用导电塞填充该接触孔。
10.如权利要求7所述的非易失存储器,其中所述数据存储材料层是在预定电压范围内其电阻值陡然增加的过渡金属氧化物层。
11.如权利要求10所述的非易失存储器,其中所述过渡金属氧化物层是NiO、V2O5、ZnO、Nb2O5、TiO2、WO3和CoO层中的一种。
12.一种制造非易失存储器的方法,该非易失存储器包括一衬底、一形成于所述衬底上的晶体管和一连接至所述晶体管的漏极的数据存储单元,所述方法包括:
顺序地形成一下部电极、一数据存储材料层、和一上部电极以形成所述数据存储单元,
其中所述数据存储材料层由在不同电压范围具有不同阻值特性的材料层形成。
13.如权利要求12所述的方法,其中所述材料层由电阻值在预定电压范围内陡然增加的过渡金属氧化物层形成。
14.如权利要求12所述的方法,其中所述过渡金属氧化物层是NiO、V2O5、ZnO、Nb2O5、TiO2、WO3和CoO层中的一种。
15.一种制造非易失存储器的方法,所述方法包括:
在衬底上形成一二极管;和
形成连接至所述衬底上的所述二极管的数据存储单元,
其中通过顺序地形成一连接至所述二极管的下部电极、一数据存储材料层和一上部电极而形成所述数据存储单元。
16.如权利要求15所述的方法,其中所述数据存储材料层由在不同电压范围具有不同阻值特性的材料层形成。
17.如权利要求16所述的方法,其中所述材料层由电阻值当电压在预定电压范围内时陡然增加的过渡金属氧化物层形成。
18.如权利要求17所述的方法,其中所述过渡金属氧化物层是NiO、V2O5、ZnO、Nb2O5、TiO2、WO3和CoO层中的一种。
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