CN1815770A - 具有两种电阻材料层的非易失性存储器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有两种电阻器的非易失性存储器件。该非易失性存储器件包括：下电极；第一电阻层，其形成在所述下电极上且具有两种或更多种电阻特性；第二电阻层，其形成在所述第一电阻层上且具有阈值开关特性；以及上电极，其形成在所述第二电阻层上。

Description

具有两种电阻材料层的非易失性存储器件
技术领域
本发明涉及具有两种电阻材料层的非易失性存储器件，更具体地，涉及利用具有存储开关特性(momery switching characteristic)的电阻材料层和具有阈值开关特性(threshold switching characteristc)的电阻材料层形成的非易失性存储器件。
背景技术
好的半导体存储器件必须具有高的集成密度，这意味着每单位面积的存储单元的数量大，以及高的运行速度和在低功率条件下的驱动能力。因此，已经进行很多努力来开发这样的半导体器件，并且制造了各种存储器件。
通常，半导体存储器件包括连接在电路中的许多存储单元。在作为普通半导体存储器件的动态随机存取存储器件(DRAM)的情况中，单位存储单元通常包括一个开关和一个电容器。DRAM具有高集成密度和高运行速度的优点。然而，当电源被断开时其存储的数据全部丢失。
同时，即使电源被断开时也能存储数据的非易失性存储器件的普通示例是闪存器件(flash memory device)。闪存器件具有与易失性存储器件不同的非易失特性，但是与DRAM相比具有低集成密度和低运行速度的缺点。
近来，集中研究和开发的非易失性存储器件的种类可包括磁随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)等。
MRAM利用隧道结处磁化方向的改变存储数据，FRAM利用铁电体的极化性质存储数据。这些器件具有其自身的优点和缺点，大部分朝向高集成密度、高运行速度、低功率驱动能力、以及良好的数据保持性质方面进行研究和开发。
PRAM利用根据特定材料的相变的电阻值改变存储数据，且具有一个电阻材料层和一个开关(晶体管)。在PRAM中使用的电阻材料层是硫族电阻器(calcogenide resistor)，其根据形成温度可具有晶体结构或非晶结构。由于在非晶态的电阻通常高于在晶体结构中的电阻，所以利用该性质制造存储器件。当采用常规DRAM制造工艺制造PRAM时，蚀刻困难，即使蚀刻也占用长时间。另外，常规存储器件具有实现精确开关操作的问题，因为利用晶体管或二极管进行开关时其结构复杂。因此，需要用于存储器件的更简单结构。
发明内容
本发明提供非易失性半导体存储器件的新结构，其通过更简化的制造工艺制造，具有低功率运行和高速运行特性，且仅具有两种电阻器而没有晶体管或二极管。
根据本发明的一个方面，提供一种非易失性半导体存储器件，包括：下电极；第一电阻层，其形成在所述下电极上且具有两种或更多种电阻特性；第二电阻层，其形成在所述第一电阻层上且具有阈值开关特性；以及上电极，其形成在所述第二电阻层上。
第一电阻层可包括Ni1-xOx、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、或Nb2O5中的至少一种材料。
第二电阻层可包括V2O5或TiAlO3。
根据本发明的另一方面，提供一种具有两种电阻材料层的非易失性存储器件阵列，包括：以预定距离彼此平行排列的两条或更多条位线；与所述位线交叉地排列的两条或更多条字线；第一电阻层，其形成在所述位线上且具有两种或更多种电阻特性；以及第二电阻层，其形成在所述第一电阻层上且具有阈值开关特性。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其他特征和优点将变得更加明显，附图中：
图1是截面图，示出根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件；
图2是曲线图，示出根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的运行特性；
图3A是曲线图，示出根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的作为记忆开关特性的第一电阻层的电特性；
图3B和3C是曲线图，示出根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的作为阈值开关特性的第二电阻层的电特性；
图4是透视图，示出根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的阵列结构；
图5是根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的阵列的等效电路图；以及
图6是电路图，示出图5的‘A’区中的四个单位单元。
具体实施方式
下面将参照附图更完整地描述本发明，附图中示出本发明的优选实施例。然而，本发明能够以许多不同的形式实施，且不应被理解为局限于这里提出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开更彻底和全面，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的附图标记始终表示相同的元件。
图1是截面图，示出根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件。
参照图1，根据本发明一实施例的非易失性存储器件具有这样的结构，其中下电极11、第一电阻层12、第二电阻层13、以及上电极14被顺序堆叠。这里，第一电阻层12充当存储数据的数据存储部件，第二电阻层13起到传统的晶体管或二极管的作用。第一电阻层12形成为包括Ni1-xOx、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、或Nb2O5中的至少一种材料。第二电阻层13优选由具有阈值开关特性的材料例如V2O5或TiAlO3构成。这些都是具有多种电阻状态的过渡金属氧化物。特征在于它们的性质可以通过控制氧含量来改变。第一电阻层12和第二电阻层13的特别特性将被描述。
下电极11和上电极14可由可用于半导体器件的电极材料的普通导电材料构成，例如金属材料，特别地，用于下电极11的材料可根据形成在下电极11上的材料选择性地确定。
图2是曲线图，示出根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的运行特性。参照图2，横轴表示通过下电极11和上电极14施加到第一电阻层的电压的值，纵轴表示流经第一电阻层12的电流的值。图中示出两条电流-电压曲线。曲线G1是第一电阻层12的电阻值减小的情况下的电流电压曲线，即在相同电压下流经第一电阻层12的电流高。曲线G2是第一电阻层12的电阻值增加的情况下的电流电压曲线，即在相同电压下流经第一电阻层12的电流小。
根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件利用如上的不同电流-电阻特性。下面将对其进行具体描述。
首先，在所施加的电压从0V逐渐增加到电压V1的情况下，发现电流值沿曲线G1与电压的大小成比例地增加。然而，如果施加电压V1，电流值突然下降，并沿着曲线G2变化。该现象还在V1≤V≤V2的电压范围内被发现。如果施加具有比电压V2大的大小的电压，电流值沿曲线G1增加。这里，根据曲线G1的特性的电阻值称为第一电阻值，根据曲线G2的特性的电阻值称为第二电阻值。即，第一电阻层12的电阻在V1≤V≤V2的电压范围内突然增加。
另外，本发明的发明者发现根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的第一电阻层12具有如下特性。首先，在V1≤V≤V2的范围内施加电压之后，如果以小于电压V1的大小施加电压，则电流值沿着曲线G2被检测到。在V2＜V的范围内施加电压之后，如果以小于电压V1的大小施加电压，则电流值沿着曲线G1被检测到。因此，如上特性的用途可应用于存储器件。
即，如果通过根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的上和下电极11、14在V2＜V的范围内施加电压，则第一电阻值被存储在第一电阻层12中。如果在V1≤V≤V2的范围内施加电压，则第二电阻值被存储。为了读出存储在第一电阻层12中的存储状态，需要施加小于电压V1的电压从而读出电流值。
图3A至3C示出用于第一电阻层12和第二电阻层13的材料的特定电特性曲线。
图3A是曲线图，示出用于第一电阻层12的Ni1-xOx的电特性。参照图3A，发现在等于或低于约0.55V的电压范围内显示出两种电阻特性。即，由于Ni1-xOx在相同的施加电压下显示出两种电阻特性，所以其可被用作存储器件的数据存储部件。
图3B是曲线图，示出用于本发明的第二电阻层13的V2O5的电特性，图3C是曲线图，示出用于本发明的第二电阻层13的TiAlO3的电特性。参照图3B和3C，这些具有多种电压-电流状态，特别地，如图3C所示在约2V或更高的电压下电流以一致电流(current compliance)流动，但在-2V至2V范围内的电压下电流不流动。就是说，由于材料具有其自身的阈值电压，只有施加预定电压或更高电压时，电流才流动，在电压高于预定电压的情况下，几乎相同的电流流动。因此，利用该特性本发明可用于诸如晶体管或二极管的开关器件。
图4是透视图，示出根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的阵列结构。参照图4，下电极11的线和上电极14的线彼此交叉设置，第一电阻层12和第二电阻层13设置在下电极11的线与上电极14的线交叉的每个点。
图5是图4的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的阵列的等效电路图。图6示出图5的A区中的四个单位单元。下面，参照图5和6描述根据本发明一实施例的具有两种电阻材料层的非易失性存储器件的操作方法。这里，位线VB1、VB2和字线VW2、VW3分别共享两个单元。
这里，在设置于图6的左下部的单位单元保持‘ON’状态且其余单位单元保持‘OFF’状态的情况下，等于或大于第二电阻层13的阈值电压的电压施加到字线VW2。在第二电阻层13由如图3C所示的TiAlO3构成的情况下，等于或大于2V的电压被施加到字线VW2，且电压不施加到其余字线。如果位线VB1的电压保持0.5V，且位线VB2保持在0V或电接地，则因为仅左下单位单元中的上和下电极11、14的电压差高于第二电阻层13的阈值电压，电流流动。这样，通过该方法可以在期望单位单元中控制状态‘ON’和‘OFF’，从而数据被存储或被擦除。
已经详细描述了示例实施例，但它们不限制本发明的范围，并且必须作为优选实施例的例子理解。
如上所述，本发明具有如下优点。
第一，非易失性存储器件的单位单元具有2R结构，其中电阻器被用作晶体管或二极管。因此，结构被简化，且因此，由单位单元构成的阵列单元的整体结构也被简化。
第二，本发明可以采用普通半导体制造工艺，其通常用于制造常规DRAM。另外，由于电阻层可按照原位方式形成而不同于包括普通开关元件的存储器件，所以制造工艺被简化，从而生产率提高，制造成本下降。
第三，本发明采用具有特定电阻性质的材料，从而数据能够以更容易和更简单的方法被存储和被读出，另外，本发明提供高速运行特性。
尽管参照其示例性实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不偏离权利要求所定义的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节上的改变。

Claims (6)

1.一种非易失性半导体存储器件，包括：
下电极；
第一电阻层，其形成在所述下电极上且具有两种或更多种电阻特性；
第二电阻层，其形成在所述第一电阻层上且具有阈值开关特性；以及上电极，其形成在所述第二电阻层上。
2.如权利要求1所述的非易失性半导体存储器件，其中所述第一电阻层包括Ni1-xOx、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、或Nb2O5中的至少一种材料。
3.如权利要求1所述的非易失性半导体存储器件，其中所述第二电阻层包括V2O5或TiAlO3。
4.一种具有两种电阻材料层的非易失性存储器件阵列，包括：
两条或更多条位线，其以预定距离彼此平行地排列；
两条或更多条字线，其与所述位线交叉地排列；
第一电阻层，其形成在所述位线上且具有两种或更多种电阻特性；以及
第二电阻层，其形成在所述第一电阻层上且具有阈值开关特性。
5.如权利要求4所述的非易失性存储器件，其中所述第一电阻层包括Ni1-xOx、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、或Nb2O5中的至少一种材料。
6.如权利要求4所述的非易失性存储器件，其中所述第二电阻层包括V2O5或TiAlO3。
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