CN1913191A - 用于稳定复位电流的制造存储器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种减小并稳定复位电流的存储器件的制造方法。所述存储器件包括由电阻变化材料组成的氧化层，用于稳定复位电流，所述方法包括：在下结构上形成下电极和氧化层；和将电子束或离子束照射到所述氧化层的一区域上。减小并稳定了本发明的存储器件的复位电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于稳定复位电流的制造存储器件的方法，更具体而言，涉及一种制造存储器件的方法，其在形成包括具有电阻梯度的氧化层的存储器件期间通过将电子束照射到氧化层来界定电流路径从而能够减小并稳定存储器件的复位电流。
背景技术
因为半导体存储器件必须具有高集成度，即单位面积的大量的存储单元，操作速度必须快且以低功耗操作，已经积极地做出了许多研究并且已经开发了各种存储器件。
一般而言，半导体存储器件包括连接在电路中的许多存储单元。在作为典型半导体存储器件的动态随机存取存储器(DRAM)中，单位存储单元一般包括一个开关元件和一个电容器。DRAM具有高集成度和高操作速度的优点。DRAM具有当电源关闭时所存储的数据全部损失的缺点。
相反，一种非易失存储器件的典型示例为闪存器件，其中即使当电源关闭时也可以保持存储的数据。闪存器件具有与易失存储器件不同的非易失特性，但是具有相对DRAM而言的低集成度和低操作速度的缺点。
作为正在广泛研究和开发的非易失存储器件，存在磁随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)等等。
MRAM利用隧穿结中磁化方向的改变来存储数据，而FRAM利用铁电体的极性特性来存储特性。这些均具有优点和缺点，但是具有高集成度、高操作速度，且在低功率操作能力的优点，且也向着好的数据保持特性研究和开发。
PRAM利用根据特定材料的相变的电阻值的变化来存储数据，且包括一个电阻器和一个开关(晶体管)。用于PRAM的电阻器是硫化物(calcogenide)电阻器，且通过控制形成温度而具有晶体结构或非晶结构。一般而言，因为非晶结构中的电阻比晶体结构的电阻高，存储器件可以通过该特性制造。当常规的DRAM工艺被用于制造PRAM时，蚀刻操作是可能的且花费长时间来蚀刻。因此，减少了产率，且增加了产品价格，由此降低了市场竞争性。
电阻随机存取存储器(RRAM)一般使用过渡金属氧化物层作为数据存储层，且利用电阻值依据施加的电压改变的特性(电阻变化特性)。图1A和1B是示出RRAM的典型结构和通过施加的电压形成于氧化层中的电流路径的视图。
参考图1A和1B，RRAM具有其中在下电极11上形成氧化层12和上电极13的结构。下电极11和上电极13由比如Ir、Ru、Au、或Pt的金属或其氧化物组成。氧化层12由具有电阻变化(可变电阻)特性的过渡金属氧化物组成。氧化层12作为数据存储层，且通过经由下电极11和上电极13将电压施加到氧化层12，写入数据或读取记录的数据。
当通过下电极11和上电极13施加电压时，由于电势差，电流在氧化物层12中流动，且电流没有在所有的部分均匀地流动，而是流动以在氧化层12内形成通过晶粒的瞬时电流路径10。因为形成于氧化层12内的电流路径10随机形成，即使将同一电压施加到下电极11和上电极13，电流路径10的形成位置和其形成数量也总在变化。
图2是示出当将电压施加到包括由典型电阻变化材料组成的氧化层的存储器件时依据施加的电压的电流值的曲线图。具体而言，图2是示出当将预定的电压施加到具有与图1A相同结构的RRAM的下电极11和上电极13时流过氧化层12的电流的曲线图。氧化层12由氧化镍(NiO)组成，且下电极11和上电极13由Pt组成。
参考图2，随着通过下电极11和上电极13施加的电压逐渐从0V增加，且当测量流过氧化层12的电流值时，在每次测量中，测量的电流值依据施加的电压而不相同，且在它们之间显示了略微的差异。具体而言，复位电流(RC)即使在相同的施加电压下也显示了10倍的差异，且置位电压(SV)没有保持相同。如上所述，因为复位电流是不稳定的且显示了高值，所以恶化了存储器件的可靠性，且增加了功耗。
发明内容
本发明提供了一种制造存储器件的方法，所述存储器件包括由电阻变化材料组成的氧化层，其能够减小和稳定复位电流，且稳定置位电压，由此保证了存储器件的可靠性。
根据本发明的一方面，提供有一种制造存储器件的方法，所述存储器件包括由电阻变化材料组成的氧化层，用于稳定复位电流，且所述方法包括在下结构上形成下电极和氧化层；且将电子束或离子束照射到氧化层的一区域上。
另外，电阻变化材料可以包括NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CuO、CoO或Nb2O5中的至少一种材料。
另外，下结构可以包括：衬底，其中形成了源极和漏极；栅极绝缘层和栅电极层，形成于衬底上与源极和漏极接触；和导电插塞，连接到源极和漏极的至少一个和下电极。
另外，所述方法还包括将电子束照射到氧化层上，从而在氧化层上形成上电极。
另外，可以通过25keV或更低的加速电压，将电子束照射到氧化层的一个区域上。
另外，可以通过10到20keV的加速电压，将电子束照射到氧化层的一个区域上。
另外，下电极可以由导电材料组成，所述导电材料包括Al、Au、Pt、Ru、Ir和Ti的金属或金属氧化物。
另外，可以将电子束连续照射到氧化层的一个区域，或间歇地以脉冲型照射到氧化层的一个区域上。
附图说明
参考附图，通过详细描述其示范性实施例，本发明的以上和其他特征和优点将变得更加显见，在附图中：
图1A和1B是分别示出当将电流施加在包括由电阻变化材料组成的氧化层的常规存储器件时形成于氧化层中的电流路径的视图；
图2是示出当将电流施加在包括由电阻变化材料组成的氧化层的常规存储器件时根据施加的电压的电流值的曲线图；
图3是示出根据本发明的实施例存储器件形成于晶体管结构上的视图，存储器件包括由电阻变化材料组成的氧化层；
图4是根据本发明的实施例在制造用于稳定复位电流的存储器件的方法中在氧化层的部分上照射电子束的视图；
图5是示出当将电压施加到根据本发明的实施例制造的存储器件时形成于氧化层中的电流路径的视图；
图6是示出当将电压施加到根据本发明的实施例制造的存储器件且稳定了复位电流时根据施加的电压的电流值的曲线图；以及
图7是示出包括电阻变化材料的存储器件的电特性的曲线图。
具体实施方式
现将参考其中显示本发明的优选实施例的附图在其后更加全面地描述本发明的一种用于稳定复位电流的制造存储器件的方法。在附图中，为了清晰夸大了层和区域的厚度。
根据本发明的实施例的所述用于稳定复位电流的制造存储器件的方法的基本工艺如下。
首先，在下结构上顺序形成下电极和氧化层。
其次，利用电子束源在氧化层的一部分上照射电子束，从而在氧化层中形成电流路径。可以选择性地照射离子束。
第三，在氧化层上形成上电极。
下结构可以简单地为比如Si的衬底，或可以为具有开关特性的装置。为了操作该存储器件，需要电压施加单元。在根据本发明的实施例的存储器件中，还提供了开关来通过将电压施加到数据存储层即氧化层来写或读数据。由此，基本结构为1S(开关)-1R(电阻器)结构。开关可以使用晶体管或二极管，但不是限制性的。
图3是示出使用晶体管作为下结构的情形的视图。
参考图3，在衬底20上顺序形成栅极绝缘层22和栅电极层23，在衬底20中形成有第一杂质区21a和第二杂质区21b，且在衬底20和栅极的整个表面上形成层间绝缘层24。蚀刻第二杂质区24从而形成暴露第二杂质区21b的孔，且用导电材料沉积所述孔从而形成导电插塞25，且由此完成下结构的形成。利用制造典型半导体器件的常规方法可以容易地进行所述工艺。具体而言，可以使用比如溅射工艺的物理气相(PVD)沉积、原子层沉积(ALD)工艺、或化学气相沉积(CVD)工艺。
如上所述，在形成下结构之后，在下结构上顺序形成下电极31和氧化层32。下电极31由Al、Au、Pt、Ru、Ir和Ti等的金属或包括金属氧化物的导电材料组成，所述金属一般用作典型半导体存储器件的电极。氧化层32由具有电阻变化特性的材料组成，且具体而言，可以由过渡金属氧化物组成，且包括选自NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CuO、CoO或Nb2O5的至少一种材料或其化合物。
图4是示出通过照射来自电子束施加单元的电子束37而在氧化层中形成电流路径的工艺，即电子束源36到氧化层32的一部分。
参考图4，氧化层32的表面的一部分被界定为电子束照射区33，且电子束源36定位朝向电子束照射区33，从而照射电子束37。通过电子束37的照射，电流34流过氧化层32到下电极31。
电子束照射区33优选地设定在氧化层32的表面的中心区或围绕中心区的一个区域，作为氧化层32的表面上的局部区，且其不需设定多个电子束照射区33。当电子束照射区的数量增加时，难于控制如图1A和1B所示的电流路径。电子束源36可以使用包括碳纳米管、导电尖端等等的场发射设备，且可以使用通过采用电子枪、电子透镜、加速器和反射器而更精确设定电子束照射区的设备，比如扫描显微镜。
除了电子束之外，可以使用离子束来在氧化层中形成电流路径，且离子束施加单元可以提供如电子束施加单元的相同效果。
在将电子束37照射到氧化层32的表面上的电子束照射区33的方法中，存在一种连续照射电子束持续预定时间的方法，和采用脉冲型的电子束照射几次的方法。可以使用任一方法。照射电子束37的加速电压可以根据电子束源36的类型变化，且当使用电子束光刻设备时，加速电压优选地为约25keV或更少。当加速电压过度高时，难于控制氧化层32下的电流路径，且当加速电压过度低时，电流路径没有人工地形成于氧化层32内。由此，优选地使用约10到20keV的加速电压。
当充分地将电子束37照射到氧化层32的表面上的电子束照射区33上时，电流34在氧化层32内流动，且由此电流路径局部地形成于电子束照射区33和下电极31之间的氧化层32中。
在电流路径形成于氧化层32中之后，在氧化层32上形成上电极35，且上电极35由金属或金属化合物组成。
图5示出了当将预定的电压施加到根据本发明的实施例制造的存储器件的下电极31和上电极35时，存在于氧化层32内的局部电流路径30。参考图5，当将电压施加到下电极31和上电极35时，在下电极31和上电极35之间产生电势差，从而电流流动。通过图4所示的工艺，大多数的电流流过形成于电子束照射区33和下电极31之间的电流路径30。
图6示出了当将电压施加到相应的存储器件时，流过根据本发明的实施例制造的存储器件以及常规的存储器件的氧化层的电流值的曲线图。
在图6中由“参考”标记的样品中，下电极和上电极分别形成有10nm的厚度，且氧化层在5％的氧分压下形成有约50nm的厚度，且氧化层的横向宽度和纵向宽度为30μm。
在图6中由“E束”标记的样品中，下电极形成有10nm的厚度，且氧化层在5％的氧分压下形成有约50nm的厚度，且氧化层的横向宽度和纵向宽度为30μm。然后，具有约100nm的直径的电子束照射区设定在氧化层表面的中心区上，且使用探头尖端作为电子束源，将电子束照射到所述区上，在约10nA的电流流过氧化层持续10秒之后，完成电子束的照射，从而在氧化层上形成具有10nm厚度的下电极。
参考图6，其上没有照射电子束的由“参考”标记的样品的复位电流与其上照射了电子束的样品(E束复位1、E束复位2)的复位电流相比是非常高的。在其上没有照射电子束的样品(参考)中，仅测量了复位电流一次，且复位电流值的变化在每次测量时显著高，如图2所示。在其上照射了电子束的样品(E束复位1、E束复位2)的样品中，复位电流值接近且显示了非常稳定的值。另外，其上照射了电子束的样品(E束复位1、E束复位2)的样品的置位电压值与其上没有照射电子束的样品(参考)相比是低的，且显示了如图2所示的固定值。当置位电压低时，可以减小所消耗的电压，且当复位电流低时，可以使用稳定应用的存储器件。
另外，将参考图7说明包括电阻变化材料的存储器件的操作特性。图7是示出包括电阻变化材料的存储器件的电特性的曲线图。横轴代表施加的电压，且纵轴代表根据施加的电压的电流。
参考图7，当电压从0V逐渐增加时，电流值沿曲线G1与电压呈比例增加。然而，当施加V1或更高的电压时，电阻突然增加，且电流值减小。在施加电压的范围V1到V2内，电流值沿曲线G2增加。然而，当施加V2(V2＞V1)或更高的电压时，电阻突然减小，且电流再次沿曲线G1增加。
同时，根据大于V1的范围内的施加的电压的存储器件的电特性影响了当施加低于V1的电压时的存储器件的电特性，其将如下解释。
在将V1到V2的范围的电压施加到存储器件之后，当施加了低于V1的电压时，测量的电流值遵循曲线G2。相反，在将大于V2(例如V3)的电压施加到存储器件之后，当再次施加低于V1的电压时，测量的电流值遵循图7的曲线G1。如果施加了低于V1的电压，测量的电流值不固定。当电流值如图2所示显著不同时，难于清楚地区分存储器处于置位状态或复位状态，且因此存在存储器件的可靠性的问题。因此，当根据本发明稳定了复位电流时，容易地区分了置位状态，且通过减少置位电压值可以减少消耗的电压。
根据本发明，提供了如下效果。
首先，减小并稳定了利用电阻变化材料的存储器件的复位电流值，由此减小了功耗且保证了存储器件的可靠性。
第二，改善和稳定了置位电压的变化，由此保证了存储器件的操作控制的可靠性。
第三，因为电子束源可以使用各种被通常使用的场发射设备，可选择的设备的范围是宽的。
虽然参考其示范性实施例具体显示和描述了本发明，然而本领域的一般技术人员可以理解在不脱离由权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出形式和细节上的不同变化。
Claims (8)
1、一种制造存储器件的方法，所述存储器件包括由电阻变化材料组成的氧化层，用于稳定复位电流，所述方法包括：
在下结构上形成下电极和氧化层；和
将电子束或离子束照射到所述氧化层的一区域上。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻变化材料包括NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CuO、CoO或Nb2O5中的至少一种材料。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述下结构包括：
衬底，其中形成了源极和漏极；
栅极绝缘层和栅电极层，形成于所述衬底上与所述源极和漏极接触；和
导电插塞，连接到所述源极和漏极的至少一个和下电极。
4、根据权利要求1所述的方法，还包括将电子束照射到所述氧化层上，从而在所述氧化层上形成上电极。
5、根据权利要求1所述的方法，其中通过25keV或更低的加速电压，将所述电子束照射到所述氧化层的一个区域上。
6、根据权利要求5所述的方法，其中通过10到20keV的加速电压，将所述电子束照射到所述氧化层的一个区域上。
7、根据权利要求6所述的方法，其中所述下电极由导电材料组成，所述导电材料包括Al、Au、Pt、Ru、Ir和Ti的金属或金属氧化物。
8、根据权利要求1所述的方法，其中将所述电子束连续照射到所述氧化层的一个区域，或间歇地以脉冲型照射到所述氧化层的一个区域上。
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