專利名稱：具有雙隧道結(jié)存儲單元的存儲器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該技術(shù)領(lǐng)域是用于儲存數(shù)據(jù)的存儲器件。特別是，該技術(shù)領(lǐng)域是具有帶串聯(lián)隧道結(jié)的存儲單元的存儲器件。
背景技術(shù)：
在用戶電子產(chǎn)品中采用存儲器件，以便利用該產(chǎn)品存儲數(shù)據(jù)如指令。由于非易失性存儲器件不需要功率來保存數(shù)據(jù)，因此希望采用非易失性存儲器件。因此，在電源耗盡或與存儲器件斷開時，存儲在非易失性存儲器件中的數(shù)據(jù)可以被保存。用戶也喜歡小體積和低成本的產(chǎn)品，并且在設(shè)計存儲器件時非易失性、高密度和低成本的需求是最初的驅(qū)動因素。還希望低功耗，因為可采用更小的電源，并且可減小用戶電子產(chǎn)品的尺寸。
非易失性存儲器件通常具有一次可編程(OTP)或可再編程存儲單元?？稍倬幊檀鎯卧稍诙獱顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換。一旦單元被編程，OTP存儲單元的狀態(tài)是永久的。OTP存儲單元一般可分為熔絲、抗熔絲、電荷儲存或掩模只讀存儲器(掩模ROM)之一。
熔絲存儲單元通過施加穿過單元的大電壓而編程，以便在編程期間該單元被“熔斷”。通過在讀取處理期間測量穿過該單元的電阻，可檢測熔絲存儲單元的二元狀態(tài)。熔絲存儲器件由于對熔絲存儲單元編程需要大電流而不普及。大編程電流需要具有大驅(qū)動晶體管的高電壓電源或供給泵電路。由于每個熔絲元件需要接觸區(qū)域，因此熔絲存儲單元還占據(jù)基片的大面積。這種大單元尺寸降低了陣列密度并增加了熔絲存儲器件的尺寸。
熔絲存儲單元通常包括隔離元件如二極管或晶體管，這進一步增加了單元尺寸。在熔絲存儲單元中采用的隔離二極管和晶體管限制了電流能力，并且可受到給存儲單元編程所需要的大寫電流的損害。此外，隔離二極管和晶體管通常是有源硅基元件，非常容易形成在硅晶體基片上。這種類型的隔離元件排除了熔絲OTP陣列的多層的堆疊，降低了可能的陣列密度。其它的硅基隔離元件如微晶和非晶二極管和晶體管能堆疊，但是增加了制造的復(fù)雜性和成本。最后，熔絲存儲單元的特征在于寬的擊穿閾值分布。寬的擊穿閾值分布意味著需要寫電流的大變化以給單元編程。寫電流通常必須增加以導(dǎo)致寬擊穿閾值分布。
常規(guī)抗熔絲存儲單元通常包括金屬-絕緣體-金屬疊置結(jié)構(gòu)。常規(guī)抗熔絲存儲單元通過穿過該單元施加大寫電位而被編程。該寫電位觸發(fā)抗熔絲并減小穿過被編程的存儲單元的電阻。常規(guī)抗熔絲存儲單元具有與熔絲/晶體管單元相同的缺陷。例如，常規(guī)抗熔絲存儲單元需要大寫電位，并且可能需要有源硅基隔離元件。
普通的電荷儲存器使EPROM。EPROM存儲器利用Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)，以便將電荷從基片轉(zhuǎn)移到存儲單元中的浮置柵極。EPROM存儲器需要大的寫電壓，并且EPROM的寫速度受到隧道電流密度的限制。
掩模ROM存儲器在制造時被編程，而不是在用戶階段(“場編程”)。因此，每批掩模ROM都是專用的。正如在大多制造工藝中那樣，節(jié)省成本就要增加體積。因此，為了低成本制造掩模ROM，必須大量需求專用存儲器。對于大規(guī)模處理的需求使掩模ROM對于很多應(yīng)用太昂貴了。
因此需要具有能高密度排列的存儲單元的低成本存儲器件。還需要能高速處理并且不需要過量處理功率的存儲器件。
概述根據(jù)第一方案，一種存儲器件包括雙隧道結(jié)存儲單元，該存儲單元具有第一隧道結(jié)和與第一隧道結(jié)串聯(lián)的第二隧道結(jié)。第一隧道結(jié)可從第一電阻狀態(tài)改變到第二電阻狀態(tài)。該存儲單元是用于存儲器件的數(shù)據(jù)存儲元件，并且兩個電阻狀態(tài)代表存儲單元的二元狀態(tài)。第一和第二隧道結(jié)具有不同的抗熔絲特性，并且該存儲單元能被編程，以便第一隧道結(jié)短路，而第二隧道結(jié)電阻保持基本不變。
根據(jù)第一方案，如果第一隧道結(jié)短路，第二隧道結(jié)為被編程存儲單元提供隔離功能。因此，不需要有源硅基隔離二極管和/或晶體管來隔離存儲器件中的存儲單元。因此該存儲器件可包括疊置的存儲元件，因而增加了陣列密度。
還根據(jù)第一方案，隧道結(jié)存儲單元比具有二極管和/或晶體管隔離元件的常規(guī)存儲單元小。這個方案還增加了陣列密度。沒有二極管和/或晶體管隔離元件還簡化了存儲器件的制造。
根據(jù)第二方案，被選擇的存儲單元可以通過給存儲單元施加寫電流而被編程。第一隧道結(jié)的電阻可以比第二隧道結(jié)的電阻高，因此在施加寫電流時，穿過第一隧道結(jié)產(chǎn)生較高的電壓。
根據(jù)第二方案，穿過第一隧道結(jié)的較高電壓超過第一隧道結(jié)的擊穿電壓，并可用于給被選擇單元編程。可通過減小第一隧道結(jié)的隧道面積來增加第一隧道結(jié)的電阻，這有利地減小了用于絕緣材料中的缺陷的可能面積。可能缺陷的減少降低了存儲器件的電壓/電流編程分布(擊穿閾值分布)，這進而減少了存儲器件所需要的功率。
根據(jù)本發(fā)明的第三方案，該雙隧道結(jié)存儲單元可通過施加超過第一隧道結(jié)的擊穿電壓的寫電壓而被編程。第一隧道結(jié)的擊穿電壓可以由第一隧道結(jié)中的絕緣體的厚度和形成該絕緣體的材料確定。
根據(jù)第三方案，可通過減小絕緣層的擊穿電壓來降低隧道結(jié)的編程電壓。因此編程電壓可以低于常規(guī)抗熔絲器件。低編程電壓允許存儲器件中的較小的、低功率寫電路。
根據(jù)第四方案，可通過提供具有不均勻厚度的用于第一隧道結(jié)的絕緣體來降低第一隧道結(jié)的擊穿閾值分布。不均勻厚度可通過在絕緣體中形成結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其中在寫操作期間在該結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生隧道效應(yīng)。
根據(jù)第四方案，該結(jié)構(gòu)可以是在絕緣體中減少厚度的區(qū)域，這降低了第一隧道結(jié)的擊穿電壓。該結(jié)構(gòu)還提供用于第一隧道結(jié)的相對小的隧道區(qū)域，這降低了存儲器件的擊穿閾值分布。
通過下面結(jié)合附圖的詳細說明使其它方案和優(yōu)點更明顯。


下面將參照附圖詳細說明本發(fā)明，其中相同的標(biāo)記表示相同的元件，其中圖1是具有雙隧道結(jié)存儲單元的存儲器陣列的示意透視圖；圖2是包括圖1中所示的存儲器陣列和相關(guān)的讀/寫電路的存儲器件的示意圖；圖3A是圖1中所示的部分存儲器陣列的截面圖；圖3B是圖3A中所示的部分存儲器陣列的頂部平面圖；圖3C是圖3A中所示的存儲單元的實施例的正視圖；圖4A是存儲單元的另一實施例的透視圖；
圖4B是沿著線4B-4B截取的圖4A中所示的存儲單元的截面圖；圖5A是絕緣體的實施例的平面圖；圖5B是沿著圖5A中的線5B-5B截取的截面圖；圖6A是絕緣體的另一替換實施例的平面圖；圖6B是沿著圖6A中的線6B-6B截取的截面圖；圖7是絕緣體的再一替換實施例的平面圖；圖8是沿著圖7中的線8-8截取的截面圖；圖9-20表示圖1中所示的存儲器陣列的制造方法；和圖21-22表示圖1中所示的存儲器陣列的另一制造方法。
詳細說明下面通過優(yōu)選實施例和附圖介紹具有雙隧道結(jié)存儲單元的存儲器件。
圖1是具有雙隧道結(jié)存儲單元130的存儲器陣列110的透視圖。在存儲器陣列100中，字線110在水平行延伸，位線120在垂直列延伸。字線110在存儲單元130穿過位線120。每個存儲單元130可儲存“1”或“0”二元狀態(tài)。在圖1中，雙隧道結(jié)存儲單元130示意性地作為兩個電阻元件示出。每個電阻元件對應(yīng)存儲單元130中的一個隧道結(jié)。
圖2是包括如圖1中所示的存儲器陣列100和相關(guān)的讀/寫電路的存儲器件10的示意圖。存儲器件10包括存儲器陣列100、耦合到存儲器陣列100的行1-6的行解碼器300、耦合到存儲器陣列100的列1-7的列解碼器400、和在讀取處理期間用于檢測存儲單元130的二元狀態(tài)的讀出放大器500。在圖2中，示意性地示出了在42個存儲單元130相交的6行字線110和7列位線120。實際上，可采用例如1024×1024個存儲單元和更大的陣列。
行解碼器300包括多個開關(guān)，用于在寫操作期間給包含被選存儲單元130的行選擇地施加寫電位Vw或?qū)戨娏鱅w，或者在讀操作期間施加讀電位Vr。同樣，列解碼器400可包括多個開關(guān)，用于在寫操作期間將含有被選存儲單元130的列耦合到地，或者在讀操作期間將被選列耦合到讀出放大器500。
為了編程，或者“寫到”被選存儲單元130中，行解碼器300關(guān)閉在寫電壓Vw或?qū)戨娏鱅w和被選列中的行線110之間的開關(guān)，并且列解碼器400關(guān)閉在地和被選列的位線120之間的開關(guān)。寫電壓Vw和寫電流Iw之間的選擇可取決于包含在存儲器陣列100中的雙隧道結(jié)存儲單元130的類型。施加于被選存儲單元130的寫電壓Vw或?qū)戨娏鱅w足以擊穿或“熔斷”被選存儲單元130的第一隧道結(jié)，改變被選存儲單元130的電阻。寫電壓Vw或?qū)戨娏鱅w不足以熔斷存儲單元130的第二隧道結(jié)。被編程存儲單元130中的第二隧道結(jié)可以基本上保持其預(yù)寫電阻，并用做用于被編程存儲單元130的隔離元件。存儲單元130和寫操作的實施例將在下面詳細討論。
圖3A是表示圖1中所示存儲器陣列100的部分實施例的截面圖，包括存儲單元130的實施例。圖3B是表示一部分存儲器陣列100的頂視平面圖。圖3C是圖3A中所示的存儲單元130的正視圖。
參見圖3A和3B，所示部分存儲器陣列100包括位于字線110和位線120的交點處的多個存儲單元130。位線120位于絕緣層128之上，而絕緣層128位于存儲器陣列100的基片132之上。絕緣層128可以是例如SiOx、SiNx、SiOxNx、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx、和其它非導(dǎo)電材料?；?32可以是例如半導(dǎo)體基片?；?32可包含電子電路，絕緣層128提供在電路和存儲單元130之間的絕緣?；蛘?，位線120可直接設(shè)置在基片132上。絕緣體125位于決壓8之上和存儲單元130之間。為了表示的目的，圖3B中沒有示出絕緣體125。絕緣體125可以是例如SiOx、SiNx、SiOxNx、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx、和其它非導(dǎo)電材料。
參見圖3C，存儲單元130包括第一隧道結(jié)134和與第一隧道結(jié)134串聯(lián)的第二隧道結(jié)136。第一隧道結(jié)134具有不同于第二隧道結(jié)136的抗熔絲特性。通過給存儲單元130施加足以擊穿或“熔斷”第一隧道結(jié)134的寫電流Iw，改變存儲單元130的電阻狀態(tài)，從而進行存儲單元130的編程或?qū)懖僮鳌＝Y(jié)果或第二電阻狀態(tài)可以是第一隧道結(jié)134的短路狀態(tài)。第二隧道結(jié)136被設(shè)計成使得在Iw施加于存儲單元130時寫電流Iw不足以使第二隧道結(jié)136短路。因此在第一隧道結(jié)134被熔斷之后，第二隧道結(jié)136用做存儲單元130中的隔離功能，不再需要有源硅基隔離元件。第一和第二隧道結(jié)134、136的不同抗熔絲特性允許進行寫操作，并在下面介紹。
第一隧道結(jié)134包括第一電極142、電介質(zhì)144和第二電極146。第一隧道結(jié)134的隧道區(qū)是接觸第一電極142的一部分電介質(zhì)144。第二電極146將電介質(zhì)144電耦合到字線110?；蛘?，第二電極146可以省略，字線11O可以直接耦合到電介質(zhì)144。電介質(zhì)144可以由例如SiOx、SiNx、SiOxNx、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx、和其它電介質(zhì)材料制成。電介質(zhì)144可具有例如5nm-50nm數(shù)量級的厚度。第一和第二電極142、146可以是任何導(dǎo)電材料，例如鋁、銅、銀、金、和其它導(dǎo)體。第一隧道結(jié)134還包括隔板139。在存儲單元130的制造期間采用隔板139以減小接觸第一電極142的電介質(zhì)144的面積，由此減小第一隧道結(jié)134的隧道區(qū)。
第二隧道結(jié)136與第一隧道結(jié)134串聯(lián)，形成雙隧道結(jié)存儲單元130。第二隧道結(jié)136與第一隧道結(jié)134共用第一電極142，并且還包括電介質(zhì)148和第三電極150。電介質(zhì)148可以由例如SiOx、SiNx、SiOxNx、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx、和其它電介質(zhì)材料等材料制成。電介質(zhì)148可具有例如5-50nm數(shù)量級的厚度。第三電極150將電介質(zhì)148電耦合到位線120。或者，電介質(zhì)144可直接設(shè)置在位線120上，第三電極150可省略。
第一隧道結(jié)134被設(shè)計成在施加寫電流Iw時在第二隧道結(jié)136之前被擊穿。隧道結(jié)的擊穿取決于幾個因素，包括電極材料、電介質(zhì)材料、電介質(zhì)的制造技術(shù)、和電介質(zhì)厚度。通常，穿過隧道結(jié)的電阻與隧道結(jié)的面積成反比。在圖3A-3C所示的實施例中，產(chǎn)生隧道效應(yīng)的隧道結(jié)134的面積是第二電極146的底部和第一電極142的頂部之間的電介質(zhì)144的面積。在制造存儲器陣列期間，通過在形成電介質(zhì)144之前形成隔板139，這個面積被做得相對小。第二隧道結(jié)136的面積是接觸第一和第三電極150的電介質(zhì)148的面積，并且大于第一隧道結(jié)的隧道面積。如果電介質(zhì)144、148的厚度和材料相同，第一隧道結(jié)134將具有比第二隧道結(jié)136的電阻R2高的電阻R1，這是因為第一隧道結(jié)134的隧道面積小。
隧道結(jié)的擊穿電壓取決于形成隧道結(jié)的電介質(zhì)阻擋層的厚度和所用的材料。在存儲單元130中，第一和第二隧道結(jié)134、136的擊穿電壓可近似相等。
可參考在施加寫電流Iw時產(chǎn)生的電壓解釋寫操作V1＝Iw·R1
V2＝Iw·R2其中V1是穿過第一隧道結(jié)134的電壓；V2是穿過第二隧道結(jié)136的電壓；R1是第一隧道結(jié)134的電阻；R2是第二隧道結(jié)136的電阻。
正如V1和V2的等式所示，由于第一隧道結(jié)134的電阻R1高于第二隧道結(jié)136的電阻R2，因此穿過第一隧道結(jié)134的電壓V1也高于V2。當(dāng)隧道結(jié)接收到高于其擊穿電壓的電位時，抗熔絲器件由于金屬或其它導(dǎo)電元件通過電介質(zhì)的擴散而被短路。這種擴散是由穿過抗熔絲的電壓驅(qū)動的。相應(yīng)地，流過第一隧道結(jié)134的電流Iw可導(dǎo)致超過第一隧道結(jié)的擊穿電壓的電壓V1和不超過第二隧道結(jié)136的擊穿電壓的電壓V2。第一隧道結(jié)134的擊穿導(dǎo)致導(dǎo)電元件從第二電極146穿過電介質(zhì)144擴散，由此使第一隧道結(jié)134短路。寫電流Iw的方向還可以反向，以使導(dǎo)電元件從第一電極142穿過電介質(zhì)144擴散。
在圖3A-3C中所示的實施例中，第二隧道結(jié)136和第一隧道結(jié)134的面積比可以約為1.5∶1。如果用于形成電介質(zhì)144的厚度和材料相同，電阻R1和R2的比也約為1.5∶1。因此，V1是V2的1.5倍或高于V2，V2可以足夠低，以便在寫操作期間在第二隧道結(jié)中沒有產(chǎn)生顯著變化。隧道結(jié)134、136之間的面積比可以增加，以便保證在在寫操作期間在第二隧道結(jié)136改變之前擊穿第一隧道結(jié)134。面積比還可以小于1.5∶1，這取決于采用存儲單元130的應(yīng)用。
雖然在圖3A和3B中示出了相同的電介質(zhì)厚度，但是為獲得不同抗熔絲特性不需要這種構(gòu)造。例如，電介質(zhì)材料可具有較小的厚度和帶有高擊穿場的電介質(zhì)材料(例如Al2O3具有約為2.7×10+7V/cm的擊穿場)，或者較大厚度和帶有低擊穿場的電介質(zhì)材料(例如SiO2具有約為1.6×10+6V/cm的擊穿場，ZnS具有約為1.7×10+6V/cm的擊穿場)。而且不要求隧道結(jié)的擊穿電壓相等。在上述實施例中，重要的設(shè)計因數(shù)是寫電流Iw使第一隧道結(jié)134的電阻狀態(tài)從第一狀態(tài)改變到第二狀態(tài)，同時第二隧道結(jié)136保持不短路。
圖4A和4B表示具有串聯(lián)排列的隧道結(jié)的雙隧道結(jié)存儲單元230的替換實施例。圖4A是存儲單元230的透視圖，圖4B是沿著圖4A中的線4B-4B截取的截面圖。存儲單元230可用在圖2中所示的存儲器陣列100中。
存儲單元230包括夾在字線110和位線120之間的第一隧道結(jié)234和第二隧道結(jié)236。第一隧道結(jié)234具有不均勻厚度的電介質(zhì)244(以分解形式示出)，并具有不同于第二隧道結(jié)236的抗熔絲特性。第一隧道結(jié)234包括第一電極242、電介質(zhì)244和第二電極246。第二隧道結(jié)236與第一隧道結(jié)234共用第一電極246，并且還包括電介質(zhì)240(以分解形式示出的)和第三電極250。
如圖4A和4B所示，電介質(zhì)244具有不均勻厚度并包括一結(jié)構(gòu)，或穿過電介質(zhì)244延伸的凹槽248。第一隧道結(jié)234的隧道面積基本上等于凹槽248的底部面積。因此凹槽248降低了第一隧道結(jié)234的擊穿電壓?？梢酝ㄟ^改變凹槽248下面的電介質(zhì)244的厚度和通過改變電介質(zhì)244的材料，很容易調(diào)整電介質(zhì)244的擊穿電壓。
通過給存儲單元230施加寫電流Iw或?qū)戨娢籚w而給存儲單元230編程。凹槽248下面的電介質(zhì)244的相對薄區(qū)域是在施加寫電流Iw或?qū)戨娢籚w時擊穿第一隧道結(jié)234的位置，其中金屬從電極242、246之一穿過凹槽248下面的電介質(zhì)244擴散。凹槽248下面的相對小隧道區(qū)域提供局部擴散區(qū)，這導(dǎo)致存儲單元230的小擊穿閾值分布。小擊穿閾值分布降低了電介質(zhì)244中的缺陷引起第一隧道結(jié)234的擊穿電壓的可變性的可能性。因此可以降低用于給存儲單元230編程的寫電流Iw或?qū)戨妷篤w。這個特點還減少了在寫操作期間第二隧道結(jié)236無意中改變的可能性。
可以選擇第二隧道結(jié)236的厚度和材料，以使第二隧道結(jié)236的電阻約等于第一隧道結(jié)234的電阻(在編程之前)。在這個實施例中，一旦第一隧道結(jié)234在寫操作中短路，存儲單元230的總電阻可減少約一半。
在涂、圖4B中，第二和第三電極246、250是任選的，代替地，電介質(zhì)材料可直接耦合到字線和位線。
圖5A、5B、6A、6B、7和8表示適合用在存儲單元230中的電介質(zhì)材料的替換實施例。每個實施例具有不同的特征，以便提供降低的擊穿電壓和隧道面積。
圖5A表示具有變?yōu)辄c的凹陷348的電介質(zhì)344。如圖5B所示，凹陷348提供在其最低點的相對小厚度和用于電介質(zhì)344的小隧道面積。圖6A和6B表示具有V形切口形狀的凹陷448的電介質(zhì)444。圖7和8表示具有錐形切口形狀的凹陷548的電介質(zhì)544。這些結(jié)構(gòu)都提供減小的擊穿電壓和小擊穿閾值分布。圖4-7中所示的結(jié)構(gòu)248、348、448、548可通過例如印刷工藝形成在電介質(zhì)中。
為了獲得降低的擊穿電壓，不需要提供不均勻電介質(zhì)材料，或減小電介質(zhì)材料的表面面積。還可以例如通過采用減小厚度的電介質(zhì)材料，或通過采用低擊穿場的電介質(zhì)材料，或通過組合材料和幾何形狀的變化來獲得降低的擊穿電壓。存儲單元的替換實施例(未示出)可包括具有相對薄厚度電介質(zhì)的第一隧道結(jié)和具有較厚電介質(zhì)的第二隧道結(jié)。這兩種電介質(zhì)材料可具有相同形狀(例如平行六面體)并且可以由相同材料制成。第一隧道結(jié)234中的較薄電介質(zhì)提供不同的抗熔絲特性(在本例中為低擊穿電壓)，當(dāng)施加寫電流或?qū)戨妷篤w時，允許第一隧道結(jié)234在第二隧道結(jié)236之前被擊穿。
根據(jù)上述實施例，為了隔離存儲器陣列100中的存儲單元，存儲器件10不需要有源硅基隔離元件，如二極管或晶體管。因此存儲器件10可包括堆疊的存儲元件，這增加了陣列密度。隧道結(jié)可以做的相對小，這進一步增加了陣列100的可能陣列密度。此外，通過調(diào)整電介質(zhì)厚度、材料和幾何形狀，很容易控制隧道結(jié)的擊穿電壓。因此可通過選擇希望的隧道結(jié)特性來減小寫電流Iw或?qū)戨妷篤w。
上述實施例的另一優(yōu)點是由第一隧道結(jié)中的電介質(zhì)提供的小擊穿閾值分布。由于電介質(zhì)擊穿電壓的減小的可變性，可以控制用于給存儲單元編程的寫電壓Vw或?qū)戨娏鱅w的分布(電壓/電流編程分布)。這個方案降低了存儲器件10所需要的功率，并減少了存儲器件10中的未選擇元件被寫操作無意中改變的機會。
參見圖2，為了給被選存儲單元130進行寫操作，寫電流Iw施加于與被選存儲單元130相交的字線110。通過閉合行解碼器300中的開關(guān)以將被選字線110連接到Iw，可以施加寫電流Iw。連接到被選字線110的行解碼器300中的開關(guān)被打開。同時，列解碼器400將與被選存儲單元13相交的位線120連接到地。因此寫電流Iw流過被選字線110，流過被選存儲單元130和流過被選位線120并到地。到被選位線120的開關(guān)被打開。
參見圖3C，選擇寫電流Iw，以便穿過電介質(zhì)144產(chǎn)生足以擊穿被選存儲單元130中的第一隧道結(jié)134的電壓V1，并穿過電介質(zhì)148產(chǎn)生不足以擊穿第二隧道結(jié)136的電壓V2。電壓V1驅(qū)動導(dǎo)電元件從第二電極146通過電介質(zhì)144擴散，使第二電極146(和位線110)電連接到第一電極142。第二電極146耦合到第一電極142使存儲單元130的電阻從第一狀態(tài)改變到第二狀態(tài)，這可以通過讀操作來檢測。第一隧道結(jié)134被擊穿之后，抗熔絲作用可將穿過第一隧道結(jié)134的電阻減小到接近于零(即短路)。因此，寫操作之后，穿過存儲單元130的電阻接近于穿過第二隧道結(jié)136的電阻。
對于圖4-8中所示的實施例的寫操作與上述實施例的相同。圖4-8中的實施例可通過施加寫電流Iw或?qū)戨妷篤w來編程。圖2表示存儲單元130的陣列100，然而，存儲單元230如圖4A和4B中所示的單元也可以用在存儲器件10中。下面介紹用于給存儲單元230編程的寫操作。
參見圖2和4B，通過給與被選存儲單元230相交的字線110施加寫電壓Vw或?qū)戨娏鱅w，給被選存儲單元230編程。還可以通過閉合行解碼器300中的開關(guān)以將被選字線110連接到Vw或Iw來施加寫電壓Vw或?qū)戨娏鱅w。連接到被選字線110的行解碼器300中的開關(guān)被打開。同時，列解碼器400將與被選存儲單元13相交的位線120連接到地。因此寫電壓Vw或?qū)戨娏鱅w施加于被選存儲單元230。到其余位線120的開關(guān)被打開。
參見圖4B，穿過被選存儲單元的寫電壓Vw在作為V1的第一隧道結(jié)234和作為V2的第二隧道結(jié)之間分布，其中Vw＝V1+V2。寫電壓Vw可直接施加于被選存儲單元230，或?qū)戨妷篤w可能是施加于被選存儲單元230的寫電流Iw的結(jié)果。V1足以擊穿被選存儲單元230中的第一隧道結(jié)234，V2不足以擊穿第二隧道結(jié)236。通過電流限制功能，即當(dāng)?shù)谝凰淼澜Y(jié)234短路時第二隧道結(jié)236不經(jīng)受顯著的電流增加，可控制寫電壓Vw的施加。電壓V2驅(qū)動導(dǎo)電元件從第二電極246通過電介質(zhì)244擴散，使第二電極246(和位線110)電連接到第一電極242。第二電極246耦合到第一電極242改變了存儲單元230的電阻，這可以通過讀操作來檢測。第一隧道結(jié)234被擊穿之后，抗熔絲作用可將穿過第一隧道結(jié)234的電阻減小到接近于零(即短路)。
作為對上述寫操作的替換，行解碼器300和列解碼器400可響應(yīng)于檢測流過被選存儲單元的電流的反饋傳感器(未示出)。該反饋傳感器可指示被選存儲單元的第一隧道結(jié)被擊穿的時間，并在這個時候終止寫操作，以便第二隧道結(jié)不被無意中擊穿。
下面參照圖2介紹用于存儲器件10的讀操作。存儲器件10可有利地采用等電位讀操作，如在授予Tran等人的美國專利US6259644中公開的，在這里引入其內(nèi)容供參考。下面參照存儲單元130簡述等電位讀操作，但是所述的操作適合于采用本說明書中所述的替換存儲單元的存儲器件10。
為了確定被選存儲單元130的二元狀態(tài)(即讀操作)，給對應(yīng)被選存儲單元130的行的字線110施加讀電位Vr，并且對應(yīng)被選存儲單元130的位線120通過列解碼器400耦合到讀出放大器500?？梢越o存儲器陣列100中的所有其它位線120施加相等的電位。讀出放大器500檢測來自被選位線120的電流以確定被選存儲單元130的二元狀態(tài)?？赏ㄟ^耦合到來自讀出放大器500的輸出的處理裝置(未示出)來檢測該二元狀態(tài)，讀出放大器500的輸出表示被選存儲單元130的電阻狀態(tài)?；蛘?，讀出放大器500可包括電路以確定該二元狀態(tài)，并將該二元狀態(tài)輸出到處理裝置。
在寫操作之后，被選存儲單元130的二元狀態(tài)可作為被選存儲單元130的電阻從高的第一值向低的第二值的變化來確定。例如，第一高電阻狀態(tài)導(dǎo)致流過存儲單元130的低電流，這可表示“0”的二元狀態(tài)。第二低電阻狀態(tài)(擊穿之后，第一隧道結(jié)134)導(dǎo)致流過存儲單元130的高電流，并且可表示“1”的二元狀態(tài)。
寫操作之后，存儲單元130保持第二隧道結(jié)136處于未短路狀態(tài)。因此，在給被選存儲單元130編程之后存儲器陣列100中沒有短路。這個隔離功能允許給多個單元130編程，而不會有害地影響存儲器陣列100中的讀和寫操作。
根據(jù)上述實施例，“1”或“0”的二元狀態(tài)可以儲存在存儲單元中。寫操作之前第一高電阻狀態(tài)可對應(yīng)存儲單元的“0”二元狀態(tài)，第二減少的電阻狀態(tài)可對應(yīng)“1”二元狀態(tài)。然而，這個慣例是任意的，并且“0”的二元狀態(tài)的分配可以被再分配到“1”，或者其他任何符號值。
下面參照圖9-20介紹制成存儲器陣列100的方法。
在圖9-20中，具有“A”標(biāo)記的圖是沿著制造的存儲器陣列的行的截面圖，具有“B”標(biāo)記的圖是平面圖。圖9-20表示具有如圖3A和3B所示的存儲單元130的存儲器陣列100的制造。
參見圖9A和9B，制造工藝從提供基片132開始?；?32可以是例如半導(dǎo)體基片，如單晶硅晶片。
在基片132上形成絕緣層128。絕緣層128可以是例如二氧化硅，該二氧化硅可通過例如化學(xué)汽相淀積(CVD)、等離子體增強化學(xué)汽相淀積(PECVD)和其它淀積工藝淀積。用于絕緣層128的其它合適材料包括SiOx、SiNx、SiOxNx、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx、和其它電介質(zhì)材料。可通過例如淀積一層硅，然后氧化這層硅而形成二氧化硅。
然后在絕緣層128上形成第一導(dǎo)電層700。第一導(dǎo)電層將形成位線120。第一導(dǎo)電層700可以是例如銀、金、銅、鋁和其它金屬。第一導(dǎo)電層700可以通過例如DC或RF濺射淀積工藝和其它淀積工藝形成。第一導(dǎo)電層700還可以是例如摻雜半導(dǎo)體層。
在第一導(dǎo)電層700上形成第二導(dǎo)電層702。第二導(dǎo)電層702可以是例如銀、金、銅、鋁和其它金屬。第二導(dǎo)電層702可以通過例如DC或RF濺射淀積工藝和其它淀積工藝淀積。第二導(dǎo)電層702形成將第二隧道結(jié)136耦合到位線120的第三電極150，因此是任選的。
在第二導(dǎo)電層702上形成電介質(zhì)層704。該電介質(zhì)層704可以是例如SiOx、SiNx、SiOxNx、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx、和其它電介質(zhì)材料。電介質(zhì)層704可通過例如CVD、PECVD、或其它淀積工藝淀積，并且可具有0.5nm到50nm數(shù)量級的厚度。二氧化硅可通過淀積一層硅，然后氧化這層硅而形成。
在電介質(zhì)層704上形成第三導(dǎo)電層706。第三導(dǎo)電層706可以是例如銀、金、銅、鋁和其它導(dǎo)體。第三導(dǎo)電層706可以通過例如DC或RF濺射淀積工藝和其它淀積工藝淀積。淀積層700、702、704和706之后，在被制造的存儲器陣列上放置光刻膠掩模708。
參見圖10A和10B，在刻蝕工藝中構(gòu)圖層700、702、704和706。然后通過灰化工藝去掉掩模708。
參見圖11A和11B，采用光刻膠掩模712構(gòu)圖頂部的兩層導(dǎo)電層和電介質(zhì)層。行710的底部導(dǎo)電層沒有被構(gòu)圖，留下位線120。構(gòu)圖步驟形成設(shè)置在位線120上的導(dǎo)體/電介質(zhì)/導(dǎo)體支柱714。支柱714對應(yīng)第二隧道結(jié)136。然后通過灰化工藝去掉光刻膠掩模712，如圖12A和12B所示。
參見圖13A和13B，在被制造的存儲器陣列上形成絕緣體716。該絕緣體716可以是例如SiOx、SiNx、SiOxNx、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx、和其它電介質(zhì)材料。絕緣體716可通過例如CVD、PECVD、或其它淀積工藝淀積。然后絕緣體716的表面可采用諸如化學(xué)機械拋光(CMP)等工藝進行平面化。
參見圖14A和14B，光刻膠掩模718放置在絕緣體716上，并且字支柱714上面的絕緣體716的區(qū)域露出。然后刻蝕掉在支柱714上面的絕緣體716。
參見圖15A和15B，通過灰化工藝去掉光刻膠掩模718。然后在該陣列上形成間隔層720。間隔層720可以是例如氮化硅。間隔層720可以通過例如CVD、PECVD、或其它淀積工藝淀積。
參見圖16A和16B，間隔層720形成為隔板722。隔板722可通過例如各向異性刻蝕形成。隔板722在支柱714上留下相對小的暴露表面。
參見圖17A和17B，在該陣列上形成電介質(zhì)層724。電介質(zhì)層724可以是例如SiOx、SiNx、SiOxNx、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx、和其它電介質(zhì)材料。電介質(zhì)層724可通過例如CVD、PECVD、或其它淀積工藝淀積。
在電介質(zhì)層724上形成第四導(dǎo)電層726。第四導(dǎo)電層726可以是例如銀、金、銅、鋁和其它金屬。第四導(dǎo)電層726可以通過例如DC或RF濺射淀積工藝和其它淀積工藝淀積。
參見圖18A和18B，通過光刻/刻蝕工藝形成電極146。光刻膠掩?？梢允菆D14B所示的掩模718?，F(xiàn)在已經(jīng)在支柱714上形成了第一隧道結(jié)。
參見圖19A和19B，通過灰化工藝去掉光刻膠掩模718。然后在該陣列上形成第五導(dǎo)電層730。第五導(dǎo)電層730可以是例如銀、金、銅、鋁和其它金屬。第四導(dǎo)電層726可以通過例如DC或RF濺射淀積工藝和其它淀積工藝淀積。第五導(dǎo)電層730還可以是例如摻雜半導(dǎo)體層。
參見圖20A和20B，采用光刻/刻蝕工藝將第五導(dǎo)電層730構(gòu)圖成字線110。一部分完成存儲器陣列示于圖20A和20B中。在圖20A和20B中，位線120可用絕緣體覆蓋。為了表示位線120的位置，在圖20B中省略了該絕緣體。
下面參照圖9-14和21-22介紹用于制造具有圖4-8中所示的替換存儲單元的存儲器陣列100的替換方法。
上述工藝一般適用于制造如圖3A-3C所示的具有存儲單元130的存儲器陣列。如圖4-7中所示的具有單元的存儲器陣列100需要不同的制造方法。用于制造這種存儲器陣列的方法一般對應(yīng)圖9-14中所示的方法。下面說明在圖14A和14B中所示的步驟之后的替換方法的步驟。
參見圖21A和21B，露出支柱714上的絕緣體716的區(qū)域之后，如圖14A和14B所示，在該陣列上形成第二電介質(zhì)層802。該電介質(zhì)層802可以是例如SiOx、SiNx、SiOxNx、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx、和其它電介質(zhì)材料。二氧化硅可以通過例如淀積一層硅，然后氧化這層硅而形成。然后可采用使用與圖14B中所示的掩模718相同的掩模的光刻/刻蝕工藝形成用于每個存儲單元的單獨的電介質(zhì)層。
參見圖22A和22B，電介質(zhì)層844可對應(yīng)圖4-7中所示的任一電介質(zhì)層244、344、444和544?？衫弥T如印刷等工藝在電介質(zhì)層244、344、444和544中形成結(jié)構(gòu)248、348、448、548。
在形成電介質(zhì)層244、344、444和544中的被選之一之后，在該陣列上淀積導(dǎo)電層(未示出)，電極246由該導(dǎo)電層構(gòu)圖在電介質(zhì)層844上。然后可以在該陣列上形成字線110，如圖19和20所示?；蛘?，可以淀積單層以填充通路向下到電介質(zhì)層844并形成字線110。為表示位線120的位置，在圖22B中省去了絕緣體。
上述工藝制造了具有如圖4A和4B中所示的存儲單元230的存儲器陣列。
在本說明書中，給存儲器陣列中的“0”和“1”的寫狀態(tài)流入電流的慣例是任意的，并且可以被分配以適合存儲器件10的任何所希望的應(yīng)用。
在上述實施例中已經(jīng)討論了為了將存儲單元的電阻從第一高狀態(tài)改變到第二低狀態(tài)而使第一隧道結(jié)短路的問題。還可以通過使導(dǎo)電元件穿過第一隧道結(jié)電介質(zhì)部分地擴散而改變存儲單元的電阻。這被稱為“部分擊穿”。隧道結(jié)的部分擊穿減少了穿過隧道結(jié)的電阻而不使隧道結(jié)短路。導(dǎo)電元件穿過電介質(zhì)的擴散明顯減少了存儲單元的電阻，并且可通過讀操作檢測電阻的變化。
在本說明書中，術(shù)語“行”和“列”不表示存儲器陣列中的固定取向。此外，術(shù)語“行”和“列”不表示必須為垂直關(guān)系。
圖2中所示的讀出放大器500是用于檢測存儲器件10中的存儲單元的二元狀態(tài)的檢測器件的一個例子。實際上，也可以采用其它檢測器件，如互阻抗讀出放大器、電荷注入讀出放大器、差分讀出放大器或數(shù)字差分讀出放大器。
在圖3中示出了用于檢測存儲單元230的二元狀態(tài)的一個讀出放大器500。實際上，大量檢測器件可以耦合到存儲器陣列上。例如，在存儲器陣列中可包括用于每個位線的讀出放大器，或者在存儲器陣列中可包含用于每兩個或更多個位線的讀出放大器。
可以在各種廣泛的應(yīng)用中使用存儲器陣列100。一個應(yīng)用可以是具有存儲模件的計算裝置。存儲模件可包括用于長期儲存的一個或多個存儲器陣列100。存儲模件可用在諸如膝上型計算機、個人計算機和服務(wù)器等裝置中。
前面已經(jīng)參照示意實施例介紹了存儲器件10，很多改型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是很明顯的，并且本公開趨于覆蓋其改型。
權(quán)利要求
1.一種存儲單元(130、230)，包括第一隧道結(jié)(134、234)；和與第一隧道結(jié)(134、234)串聯(lián)的第二隧道結(jié)(136、236)，其中第一隧道結(jié)(134、234)可從第一電阻狀態(tài)改變到第二電阻狀態(tài)，并且第一隧道結(jié)(134、234)具有不同于第二隧道結(jié)(136、236)的抗熔絲特性。
2.如權(quán)利要求1的存儲單元(130、230)，其中第二電阻狀態(tài)是短路狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1的存儲單元(130、230)，其中抗熔絲特性是擊穿電壓，并且第一隧道結(jié)(134、234)具有比第二隧道結(jié)(136、236)低的擊穿電壓。
4.如權(quán)利要求3的存儲單元(130、230)，其中第一隧道結(jié)(134、234)包括電介質(zhì)(144、244、344、444、544)，并且第二隧道結(jié)(136、236)包括電介質(zhì)(148、240)。
5.如權(quán)利要求4的存儲單元(130、230)，其中第一隧道結(jié)(134、234)的隧道面積小于第二隧道結(jié)(136、236)的隧道面積。
6.如權(quán)利要求4的存儲單元(230)，其中第一隧道結(jié)(234)的電介質(zhì)(144、244、344、444、544)具有非均勻厚度。
7.如權(quán)利要求6的存儲單元(230)，其中第一隧道結(jié)(234)的電介質(zhì)(144、244、344、444、544)包括結(jié)構(gòu)(248)，該結(jié)構(gòu)(248)確定第一隧道結(jié)(234)的隧道面積。
8.如權(quán)利要求1的存儲單元(130)，其中抗熔絲特性是電阻，并且在寫操作之前第一隧道結(jié)(134)具有高于第二隧道結(jié)(136)的電阻。
9.如權(quán)利要求8的存儲單元(130)，其中第一隧道結(jié)(134)包括電介質(zhì)(144)，并且第二隧道結(jié)(136)包括電介質(zhì)(148)。
10.如權(quán)利要求9的存儲單元(130)，其中第一隧道結(jié)(134)的隧道面積小于第二隧道結(jié)(136)的隧道面積。
全文摘要
一種存儲器件(10)包括具有串聯(lián)的兩個隧道結(jié)(134、234、136、236)的存儲單元(130、230)。為了給被選存儲單元(130、230)編程，被選存儲單元(130、230)中的第一隧道結(jié)(134、234)被擊穿。擊穿第一隧道結(jié)(134、234)使第一隧道結(jié)(134、234)短路，并使被選存儲單元(130)的電阻從第一狀態(tài)改變到第二狀態(tài)。電阻的改變可以通過讀操作檢測。第二隧道結(jié)(136、236)具有不同于第一隧道結(jié)(134、234)的抗熔絲特性，并且不被寫操作短路。因此在第一隧道結(jié)(134、234)被擊穿之后，第二隧道結(jié)(136、236)可提供對存儲單元的隔離功能。
文檔編號G11C17/16GK1409397SQ02142968
公開日2003年4月9日 申請日期2002年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月14日
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