專(zhuān)利名稱：不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及到集成電路(IC)存儲(chǔ)單元陣列，并且更具體地涉及到一種不對(duì)稱存儲(chǔ)電阻存儲(chǔ)單元及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，使用存儲(chǔ)電阻器材料，如超大磁致電阻(CMR)材料的存儲(chǔ)單元用未經(jīng)圖案化的導(dǎo)電底部電極，未經(jīng)圖案化的CMR材料以及相對(duì)較小的頂部電極制成。這些器件在有限的一些應(yīng)用中起作用，但是因?yàn)檫@些存儲(chǔ)單元尺寸相對(duì)較大它們不適用于高密度存儲(chǔ)器陣列應(yīng)用。
CMR材料可以說(shuō)具有非易失特性，因?yàn)镃MR材料的電阻在多數(shù)情況下保持恒定。但是，當(dāng)高電場(chǎng)感應(yīng)電流流過(guò)CMR材料時(shí)，可以導(dǎo)致CMR電阻改變。在程序過(guò)程中，在靠近電極的高電場(chǎng)區(qū)域處的存儲(chǔ)電阻器的電阻率首先改變。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在稱為A端的陰極處材料的電阻率增加，而在稱為B端的陽(yáng)極處材料電阻率減少。在擦除過(guò)程中，脈沖極化反轉(zhuǎn)，即陰極和陽(yáng)極的指定被反轉(zhuǎn)。因而，靠近A端的材料電阻率減少，而靠近B端的材料電阻率增加。
隨著對(duì)單元存儲(chǔ)器需求的增加，減少陣列中存儲(chǔ)單元的尺寸動(dòng)力也越加強(qiáng)烈。但是，較小的特征尺寸使得器件對(duì)工藝容許偏差更為敏感。由于工藝容差，相當(dāng)小的幾何不對(duì)稱器件都不能實(shí)用。然而，分析(下面給出)表明，所制造的充分幾何對(duì)稱的存儲(chǔ)單元將不能正常工作。即使這些幾何對(duì)稱器件可以被編程，但是從高電阻狀態(tài)到低電阻狀態(tài)的凈電阻變化相對(duì)較低。
如果存儲(chǔ)單元能夠設(shè)計(jì)為具有用足夠的不對(duì)稱，以保證不管工藝容差仍然有充分的電阻狀態(tài)改變，這將是很有優(yōu)勢(shì)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述了一種用于非易失存儲(chǔ)器陣列和模擬電阻應(yīng)用的薄膜電阻存儲(chǔ)器件。器件存儲(chǔ)特性取決于存儲(chǔ)單元的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
因而，提供一種用于形成不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的方法。該方法包括形成具有第一面積的底部電極；形成覆蓋底部電極的電脈沖變化電阻(EPVR)材料；形成覆蓋該EPVE層具有小于第一面積的第二面積的頂部電極。在一些方面，頂部電極第二面積比底部電極第一面積小至少20％。EPVR由諸如超大磁致電阻(CMR)材料，高溫超導(dǎo)(HTSC)材料，或鈣鈦礦金屬氧化物材料形成。
該方法可進(jìn)一步包括在頂部電極和底部電極之間感應(yīng)一電場(chǎng)；以及響應(yīng)該電場(chǎng)，感應(yīng)電流流過(guò)鄰近頂部電極的EPVR。
該方法進(jìn)一步包括響應(yīng)于流過(guò)鄰近頂部電極的EPVR的感應(yīng)電流，調(diào)整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻。更具體地，調(diào)整第二EPVR區(qū)的電阻，而保持第一EPVR區(qū)的電阻恒定。典型地，在100歐姆-10兆歐(Mohms)范圍內(nèi)調(diào)整電阻。
以下提供上述方法及不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的其它詳細(xì)情況。


圖1A和1B是在編程(圖1A)和擦除(圖1B)操作過(guò)程中存儲(chǔ)單元的局部橫截面視圖。
圖2A和2B是存儲(chǔ)單元的局部橫截面視圖，其中，存儲(chǔ)電阻器具有圓柱形形狀，并且嵌入氧化物或其它合適的絕緣體中。
圖3是本發(fā)明的不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的局部橫截面視圖。
圖4A和4B表示本發(fā)明的存儲(chǔ)單元的編程(圖4A)和擦除操作(圖4B)。
圖5是表示用于形成不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的本發(fā)明的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1A和1B是在編程(圖1A)和擦除(圖1B)操作過(guò)程中存儲(chǔ)單元的局部橫截面視圖。頂部和底部電極相同，并且存儲(chǔ)電阻材料整體均勻。如果器件的幾何結(jié)構(gòu)能夠做得十分對(duì)稱，當(dāng)施加負(fù)電場(chǎng)(圖1A)或正電場(chǎng)(圖1B)時(shí)，在高電阻狀態(tài)，凈電阻將保持恒定。注意，電場(chǎng)方向相對(duì)于頂部電極確定。即，電場(chǎng)被認(rèn)為從頂部電極感應(yīng)。在這種情況下，不可能進(jìn)行編程。因此，幾何對(duì)稱的器件結(jié)構(gòu)，如圖1A和1B中所示的結(jié)構(gòu)，不實(shí)用。
更具體地，在電場(chǎng)存在情況下，幾何對(duì)稱存儲(chǔ)單元在電極附近(區(qū)域A和B)具有高電流密度，而在器件的中心部分具有低電流密度。結(jié)果，在頂部和底部電極附近的CMR材料的電阻率被改變。例如，如果在頂部電極附近的存儲(chǔ)電阻器材料的電阻率增加，而底部電極附近的存儲(chǔ)電阻器材料的電阻率減少，存儲(chǔ)單元可被編程為高電阻狀態(tài)。當(dāng)施加到頂部電極的電脈沖的極性反轉(zhuǎn)(變成正脈沖，圖1B)，在頂部電極附近的材料(區(qū)域A)變成低電阻(RL)，而在底部電極附近的材料(區(qū)域B)變成高電阻(RH)。但是，存儲(chǔ)電阻的總電阻保持相同，仍然處于高電阻狀態(tài)。因此，不可能將存儲(chǔ)電阻器編程到低電阻狀態(tài)。
由于區(qū)域A和區(qū)域B分別非常靠近頂部和底部電極，并且它們的厚度可以薄到10納米(nm)，上述效應(yīng)可能被錯(cuò)誤地歸類(lèi)為界面效應(yīng)。但是，存儲(chǔ)不是界面特性的改變，而是體電阻率的變化。
圖2A和2B是存儲(chǔ)單元的局部橫截面視圖，其中，存儲(chǔ)電阻器具有圓柱形形狀，并且嵌入氧化物或其它合適的絕緣體中(現(xiàn)有技術(shù))。在頂部和底部電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度高。由于頂部電極附近的電場(chǎng)方向與底部電極附近的電場(chǎng)方向相反，頂部電極附近的存儲(chǔ)電阻器材料的電阻率增加，而底部電極附近的存儲(chǔ)電阻器材料的電阻率減少。結(jié)果，不管施加正還是負(fù)脈沖到頂部電極，存儲(chǔ)電阻都被編程到高電阻狀態(tài)。再次，幾何對(duì)稱結(jié)構(gòu)不適用于電阻器存儲(chǔ)單元。
圖3是本發(fā)明的不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的局部橫截面視圖。存儲(chǔ)單元300包括具有第一面積的底部電極302和覆在底部電極302上的電脈沖變化電阻(EPVR)材料層304。頂部電極306覆在EPVR層304上。頂部電極306具有小于第一面積的第二面積。在一些方面，頂部電極第二面積比底部電極第一面積小至少20％。注意，頂部電極306如兩個(gè)電極中較小的一個(gè)所示。但是，在本發(fā)明的其它方面(未示出)，單元300將與比頂部電極306小20％的底部電極等效操作。
正如此處所使用的，電極面積被定義為與EPVR層304接觸的表面面積。雖然頂部和底部電極表面被描述為與EPVR層接觸處平面，但電極表面不一定為平面。
EPVR層304是諸如超大磁致電阻(CMR)材料，高溫超導(dǎo)(HTSC)材料或鈣鈦礦金屬氧化物材料之類(lèi)的材料。底部電極302是諸如Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au或Ir之類(lèi)的材料。同樣地。頂部電極306是諸如Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au或Ir之類(lèi)材料。頂部電極和底部電極不一定用相同材料制成。
作為整體考慮，EPVR層304具有第一總電阻，第一總電阻是響應(yīng)于施加在頂部和底部電極306/302之間的第一電壓脈沖，在頂部和底部電極306/302之間測(cè)量得到的。例如，由較小的頂部電極306的透視圖，第一電壓脈沖可以建立負(fù)電場(chǎng)。EPVR層304具有響應(yīng)于第二電壓脈沖的第二總電阻，它小于第一電阻。例如，由頂部電極306的透視圖，第二電壓脈沖可以建立正電場(chǎng)。
響應(yīng)于第一電壓脈沖，EPVR層第一電阻在100歐姆-10兆歐范圍內(nèi)，第一電壓脈沖具有2-5伏范圍內(nèi)的負(fù)振幅和1ns-10微秒(μs)范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間。響應(yīng)于第二電壓脈沖，EPVR層第二電阻在100歐姆-1千歐范圍內(nèi)，第二電壓脈沖具有2-5伏范圍內(nèi)的正振幅和1ns-10微秒(μs)范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間。
功能描述為了克服上面背景技術(shù)部分提到的對(duì)稱存儲(chǔ)單元的固有問(wèn)題，研發(fā)了不對(duì)稱電阻器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。與底部電極尺寸相比，頂部電極相對(duì)較小。在一方面，底部電極面積是頂部電極的1.3倍。
圖4A和4B表示本發(fā)明的存儲(chǔ)單元的編程(圖4A)和擦除操作(圖4B)。當(dāng)在頂部和底部電極間施加電壓時(shí)，靠近頂部電極的電場(chǎng)強(qiáng)度大，并且因此電流密度也大?？拷撞侩姌O的電場(chǎng)強(qiáng)度/電流密度小。結(jié)果，只有靠近頂部電極的存儲(chǔ)電阻器材料的電阻率被改變?？拷撞侩姌O的EPVR材料中的電阻不會(huì)由于靠近底部電極所施加的電場(chǎng)/電流改變。對(duì)于高密度布線，存儲(chǔ)器件可以為圓形或方形，制造后一般都變?yōu)閳A形。單元可用傳統(tǒng)工藝制造，唯一的區(qū)別在于需要將底部電極的直徑增加或減少到比頂部電極大或小約20％。
圖5是表示用于形成不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的本發(fā)明的方法。雖然為清楚起見(jiàn)，該方法按編號(hào)步驟順序描述，但是除非明確指出，否則不應(yīng)該從編號(hào)推測(cè)順序。應(yīng)該明白，這些步驟中的一些可以跳過(guò)，可以并行進(jìn)行，或不需要保持嚴(yán)格的順序進(jìn)行。本方法從步驟500開(kāi)始。
步驟502形成具有第一面積的底部電極。步驟504在底部電極上形成電脈沖變化電阻(EPVR)材料。步驟506在EPVR層上形成具有第二面積的頂部電極，第二面積小于第一面積。在一些方面，第二面積比第一面積小至少20％?；蛘撸缟厦嫣岬降?，底部電極可以具有比頂部電極小(至少小20％)的面積。步驟508在頂部電極和底部電極之間感應(yīng)電場(chǎng)。步驟510響應(yīng)電場(chǎng)，感應(yīng)電流流過(guò)鄰近頂部電極的EPVR。
在步驟502中形成底部電極包括用諸如Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au或Ir材料形成底部電極。同樣地，在步驟506中形成頂部電極包括用諸如的Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au或Ir的材料形成頂部電極。頂部和底部電極可用不同材料制成。在步驟504中形成EPVR層包括用諸如CMR，HTSC，或鈣鈦礦金屬氧化物材料的材料形成EPVR層。
在一些方面，步驟510中在頂部電極和底部電極之間感應(yīng)電場(chǎng)包括在頂部和底部電極之間施加振幅在2-5伏范圍內(nèi)且持續(xù)時(shí)間在1ns-10微秒(μs)范圍內(nèi)的負(fù)電壓脈沖。其次，步驟512中調(diào)整頂部電極和底部電極之間的EPVR的電阻包括在電極之間建立第一高電阻(100-10兆歐)。
在其它方面，步驟510中在頂部電極和底部電極之間感應(yīng)電場(chǎng)包括在頂部和底部電極之間施加振幅在2-5伏范圍內(nèi)且持續(xù)時(shí)間在1ns-10μs范圍內(nèi)的正脈沖。其次，步驟512中調(diào)整頂部電極和底部電極之間的EPVR的電阻包括在電極之間建立低于第一電阻的第二電阻(100-1000歐姆)。
在一些方面，響應(yīng)流過(guò)鄰近頂部電極的感應(yīng)電流而調(diào)整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻(步驟512)包括在100歐姆-10兆歐范圍內(nèi)調(diào)整電阻。
已經(jīng)提供了不對(duì)稱存儲(chǔ)單元和形成不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的方法。已經(jīng)給出一些實(shí)例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，但是本發(fā)明不只限于這些實(shí)例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)想到本發(fā)明的其它變化和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.用于形成不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的方法，該方法包括形成具有第一面積的底部電極；形成覆在底部電極上的電脈沖變化電阻(EPVR)材料；形成在EPVR層上的具有小于第一面積的第二面積的頂部電極。
2.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在頂部電極和底部電極之間感應(yīng)電場(chǎng)；以及響應(yīng)該電場(chǎng)，感應(yīng)電流流過(guò)鄰近頂部電極的EPVR。
3.權(quán)利要求2的方法，進(jìn)一步包括響應(yīng)感應(yīng)流過(guò)鄰近頂部電極的EPVR的電流，調(diào)整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻。
4.權(quán)利要求3的方法，其中，在頂部電極和底部電極之間感應(yīng)電場(chǎng)包括在頂部電極和底部電極之間施加振幅在2-5伏范圍內(nèi)且持續(xù)時(shí)間在1ns-10μs范圍內(nèi)的負(fù)電壓脈沖；以及其中，調(diào)整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻包括在電極之間建立第一高電阻。
5.權(quán)利要求4的方法，其中，在頂部電極和底部電極之間感應(yīng)電場(chǎng)包括在頂部電極和底部電極之間施加振幅在2-5伏范圍內(nèi)且持續(xù)時(shí)間在1ns-10μs范圍內(nèi)的正脈沖；以及其中，調(diào)整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻包括在電極之間建立低于第一電阻的第二電阻。
6.權(quán)利要求1的方法，其中，形成具有比第一面積小的第二面積的覆蓋EPVR層的頂部電極包括第二面積比第一面積小至少20％。
7.權(quán)利要求1的方法，其中，形成底部電極包括用選自包括Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au和Ir的組的材料形成底部電極；以及其中形成頂部電極包括用選自包括Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au和Ir的組的材料形成頂部電極。
8.權(quán)利要求1的方法，其中，形成EPVR層包括用選自包括超大磁致電阻(CMR)、高溫超導(dǎo)(HTSC)和鈣鈦礦金屬氧化物材料的組的材料形成EPVR層。
9.權(quán)利要求3的方法，其中，響應(yīng)感應(yīng)流過(guò)鄰近頂部電極的EPVR的電流而調(diào)整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻包括在100歐姆-10兆歐范圍內(nèi)調(diào)整電阻。
10.用于形成不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的方法，該方法包括形成具有第一面積的底部電極；形成覆在底部電極上的電脈沖變化電阻(EPVR)材料；形成覆在EPVR層上的具有大于第一面積的第二面積的頂部電極。
11.權(quán)利要求10的方法，其中，形成具有比第一面積大的第二面積的覆蓋EPVR層的頂部電極包括第一面積比第二面積小至少20％。
12.一種不對(duì)稱存儲(chǔ)單元，包括具有第一面積的底部電極；覆在底部電極上的電脈沖變化電阻(EPVR)材料層；覆在EPVR層上的具有小于第一面積的第二面積的頂部電極。
13.權(quán)利要求12的存儲(chǔ)單元，其中，頂部電極第二面積比底部電極第一面積小至少20％。
14.權(quán)利要求13的存儲(chǔ)單元，其中，底部電極是選自包括Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au和Ir的組的材料；以及其中，頂部電極是選自包括Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au和Ir的組的材料。
15.權(quán)利要求13的存儲(chǔ)單元，其中，EPVR層具有第一總電阻，第一總電阻是響應(yīng)于施加在頂部和底部電極之間的第一電壓脈沖，在頂部和底部電極之間測(cè)量得到的；以及其中，EPVR層具有響應(yīng)于第二電壓脈沖的小于第一電阻的第二總電阻。
16.權(quán)利要求15的存儲(chǔ)單元，其中，響應(yīng)于第一電壓脈沖，EPVR層第一電阻在100歐姆-10兆歐范圍內(nèi)，第一電壓脈沖具有2-5伏范圍內(nèi)的負(fù)振幅以及1ns和10微秒(μs)范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間。
17.權(quán)利要求16的存儲(chǔ)單元，其中，響應(yīng)于第二電壓脈沖，EPVR層第二電阻在100歐姆-1千歐范圍內(nèi)，第二電壓脈沖具有2-5伏范圍內(nèi)的正振幅和1ns-10μs范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間。
18.權(quán)利要求12的存儲(chǔ)單元，其中，EPVR層是選自包括超大磁致電阻(CMR)、高溫超導(dǎo)(HTSC)和鈣鈦礦金屬氧化物材料的組的材料。
19.一種不對(duì)稱存儲(chǔ)單元，包括具有第一面積的底部電極；覆在底部電極上的電脈沖變化電阻(EPVR)材料層；覆在EPVR層上的具有大于第一面積的第二面積的頂部電極。
20.權(quán)利要求19的存儲(chǔ)單元，其中，底部電極第一面積比頂部電極第二面積小至少20％。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不對(duì)稱存儲(chǔ)單元和用于形成不對(duì)稱存儲(chǔ)單元的方法。方法包括形成具有第一面積的底部電極；在底部電極上形成電脈沖變化電阻(EPVR)材料；在EPVR層上形成具有比第一面積小的第二面積的頂部電極。在一些方面，第二面積比第一面積小至少20％。EPVR材料是諸如超大磁致電阻(CMR)材料、高溫超導(dǎo)(HTSC)材料或鈣鈦礦金屬氧化物材料的材料。本方法進(jìn)一步包括在電極之間感應(yīng)電場(chǎng)；感應(yīng)電流使其流過(guò)鄰近頂部電極的EPVR；以及響應(yīng)流過(guò)鄰近頂部電極的EPVR的感應(yīng)電流，調(diào)整EPVR的電阻。典型地，在100歐姆－10兆歐范圍內(nèi)調(diào)整電阻。
文檔編號(hào)G11C13/00GK1574295SQ20041004571
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者許勝籐, 李廷凱, D·R·埃文斯 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社