專利名稱：非易失性半導(dǎo)體存儲器件及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用具有多種電阻狀態(tài)的電阻器的非易失性存儲器件及操作其的方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體存儲器件中，由每單位面積存儲單元數(shù)量決定的集成度可以很高，運(yùn)行速度可以很快，且存儲器件可以在低功率環(huán)境下工作。因此，在全世界已經(jīng)對這些問題展開了大量研究，作為這些研究的結(jié)果，已經(jīng)開發(fā)出以多種工作原理為基礎(chǔ)的存儲器件。
通常，半導(dǎo)體存儲器件包括許多以電路方式互相連接的存儲單元。代表性存儲器件可以是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)。DRAM的單位存儲單元通常包括一個(gè)開關(guān)和一個(gè)電容器，且具有高集成和高速的優(yōu)勢。然而，DRAM為易失性存儲器件，該器件當(dāng)電源斷開時(shí)丟失所有在其中存儲的數(shù)據(jù)，因而具有難以保持?jǐn)?shù)據(jù)的問題。
閃速存儲器是非易失性存儲器件的典型的例子，該閃速存儲器即使在電源斷開后也能保存數(shù)據(jù)。不像諸如DRAM的易失性存儲器，閃速存儲器具有非易失性的特征，但與DRAM相比具有低集成度和低速的缺點(diǎn)。
現(xiàn)在，正在進(jìn)行許多關(guān)于非易失性存儲器件的研究。最近已開發(fā)出磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)、鐵電隨機(jī)存取存儲器(FRAM)及相變隨機(jī)存取存儲器(PRAM)等非易失性存儲器件。
MRAM利用隧道結(jié)處磁化強(qiáng)度方向的改變存儲數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM利用鐵電體的極化特性存儲數(shù)據(jù)。它們具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如上所述，正在向著高集成、高速、可在低功率下工作和極好的數(shù)據(jù)保持性的方向進(jìn)行研究和開發(fā)。
PRAM利用根據(jù)預(yù)定材料的相變(phase-change)的電阻變化存儲數(shù)據(jù)。PRAM具有包括一個(gè)電阻器和一個(gè)開關(guān)(晶體管)的結(jié)構(gòu)。在PRAM中，通過控制電阻器的形成溫度將電阻器的相態(tài)(phase)轉(zhuǎn)變成晶態(tài)或非晶態(tài)。通常，在非晶態(tài)中的電阻比在晶態(tài)中的電阻高，且利用電阻的差異操作存儲器件。
迄今已開發(fā)出的利用電阻特性的非易失性存儲器件采用兩個(gè)分別指定為“1”和“0”的電阻狀態(tài)工作。因此，在一個(gè)存儲器件中利用多種狀態(tài)是困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有新結(jié)構(gòu)的非易失性半導(dǎo)體存儲器件的操作方法，該新結(jié)構(gòu)包括一個(gè)電阻器和一個(gè)開關(guān)，且該存儲器件具有結(jié)構(gòu)簡單、高速和可在低功率下工作的特點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種非易失性半導(dǎo)體存儲器件，該存儲器件利用具有多個(gè)電阻狀態(tài)的電阻器，該存儲器件包括開關(guān)器件、與開關(guān)器件電連接且具有一個(gè)復(fù)位(reset)電阻狀態(tài)以及至少兩個(gè)或多個(gè)設(shè)定電阻狀態(tài)(set resistance states)的電阻器。
開關(guān)器件可以包括半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底中形成的第一雜質(zhì)區(qū)和第二雜質(zhì)區(qū)；以及柵極結(jié)構(gòu)，該柵極結(jié)構(gòu)與第一和第二雜質(zhì)區(qū)接觸且具有依次在半導(dǎo)體襯底上形成的柵極絕緣層和柵極電極層，該電阻器與第二雜質(zhì)區(qū)電連接。
第一和第二雜質(zhì)區(qū)及柵極結(jié)構(gòu)可以被層間絕緣層覆蓋，且第二雜質(zhì)區(qū)可以通過穿過層間絕緣層的接觸插塞(contact plug)與電阻器電連接。
電阻器可以包括過渡金屬氧化物。
電阻器可以包括從由NiO、TiO2、HfO、Nb2O5、ZnO、ZrO2、WO3、CoO、GST(Ge2Sb2Te5)和PCMO(PrxCa1-xMnO3)組成的組中選擇的至少一種材料。
存儲器件可以進(jìn)一步包括比較器，通過控制流過電阻器的電流值控制電阻器的電阻狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種非易失性存儲器件的操作方法，該非易失性存儲器件具有開關(guān)器件以及與開關(guān)器件電連接的電阻器，該電阻器具有一個(gè)復(fù)位電阻狀態(tài)以及至少兩個(gè)或多個(gè)設(shè)定電阻狀態(tài)，該方法包括在電阻器的電阻狀態(tài)由復(fù)位電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變成設(shè)定電阻狀態(tài)時(shí)，通過控制流過電阻器的電流值控制電阻器的電阻狀態(tài)。
該方法可以包括將流過電阻器的電流值與參考電流值進(jìn)行比較，當(dāng)該電流值比參考電流值大時(shí)，就切斷提供給電阻器的功率。
可以通過與電阻器電連接的比較器執(zhí)行電流值與參考電流值的比較。


通過參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例，其上述的或其他的特征和優(yōu)勢將變得更明顯，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的采用具有多種電阻狀態(tài)的電阻器的非易失性存儲器件的視圖；圖2是非易失性存儲器件的視圖，其結(jié)構(gòu)是這樣的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有多種電阻狀態(tài)的電阻器與晶體管的漏極區(qū)域連接；圖3為示出非易失性存儲器件的多種電阻狀態(tài)的圖表，該非易失性存儲器件采用具有一個(gè)復(fù)位電阻狀態(tài)和一個(gè)設(shè)定電阻狀態(tài)的電阻器；圖4A和4B為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的采用具有多種電阻狀態(tài)的電阻器的非易失性存儲器件的電流特性的曲線圖；以及圖5是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的采用具有多種電阻狀態(tài)的電阻器的非易失性存儲器件的工作原理的圖解。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的示范性圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的采用具有多種電阻狀態(tài)的電阻器的非易失性存儲器件的電阻器區(qū)的圖解。參考圖1，存儲器件的電阻器包括依次堆疊的下部襯底10、下部電極11、電阻器12和上部電極13。
圖1的下部襯底10可為可以執(zhí)行開關(guān)功能的晶體管結(jié)構(gòu)或二極管結(jié)構(gòu)。晶體管結(jié)構(gòu)將稍后描述。下部電極11和上部電極13可以由用于普通半導(dǎo)體存儲器件的電極材料制成。
這里，電阻器12為本發(fā)明的非易失性存儲器件的特征部分且功能與具有多種電阻狀態(tài)的數(shù)據(jù)存儲器一樣。電阻器12由具有低電導(dǎo)率的非導(dǎo)電材料制成，且可以由過渡金屬氧化物制成。詳細(xì)地說，電阻器12可以由從NiO、TiO2、HfO、Nb2O5、ZnO、ZrO2、WO3、CoO、GST(Ge2Sb2Te5)和PCMO(PrxCa1-xMnO3)構(gòu)成的組中選擇的至少一種材料制成。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的采用具有多種電阻狀態(tài)的電阻器的非易失性存儲器件的結(jié)構(gòu)的圖解。在圖2中示出了包括一個(gè)電阻器32和一個(gè)開關(guān)的存儲器件的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，雖然晶體管已經(jīng)用于開關(guān)器件，但也可以利用二極管。
在半導(dǎo)體襯底20中形成第一雜質(zhì)區(qū)21a和第二雜質(zhì)區(qū)21b。在下文中，第一雜質(zhì)區(qū)21a被稱為源極，第二雜質(zhì)區(qū)21b被稱為漏極。在與源極21a和漏極21b接觸的半導(dǎo)體襯底20上形成柵極結(jié)構(gòu)。該柵極結(jié)構(gòu)包括柵極絕緣層22和柵極電極層23。
源極21a、漏極21b以及柵極結(jié)構(gòu)被層間絕緣層24覆蓋。在對應(yīng)于漏極21b的區(qū)域的層間絕緣層24中形成接觸插塞25。接觸插塞25與下部電極31電連接，在下部電極31上依次形成電阻器32和上部電極33。在這里，電阻器32可以由如上所述的具有多種電阻狀態(tài)的過渡金屬氧化物制成。詳細(xì)地說，電阻器32可以從由NiO、TiO2、HfO，、Nb2O5、ZnO、WO3和CoO或GST(Ge2Sb2Te5)或PCMO(PrxCa1-xMnO3)組成的組中選擇的至少一種材料制成。
而且，電阻器32與比較器(未示出)電連接，該比較器將參考圖5隨后描述。
首先，根據(jù)本發(fā)明采用電阻器的非易失性存儲器件的工作原理將參考圖3進(jìn)行描述。圖3為示出根據(jù)施加到電阻器32的電位測量的漏極電流的曲線圖。
參考圖3，電阻器32表現(xiàn)兩種狀態(tài)的電阻特性。首先，如果將施加到電阻器32的電壓從0逐漸地增加，電流與電壓成比地沿著G1線增加。在這里，沿G1線的狀態(tài)被稱為為設(shè)定狀態(tài)(set state)。然而，如果施加在V1-V2范圍內(nèi)的電壓，電阻突然地增加，使得電流減少為沿著G2線。在這里，沿G2線的狀態(tài)被稱為復(fù)位狀態(tài)。如果施加比V2(V2＞V1)大的電壓，電阻就會減小且因而電流再一次沿著G1線增加。
同時(shí)，將在下面描述允許電阻器被用于存儲器件的數(shù)據(jù)存儲的電特性。在將比V1大的范圍的電壓施加到電阻器32時(shí)的電阻器32的電特性對稍后施加比V1小的電壓時(shí)出現(xiàn)電阻特性有所影響。
詳細(xì)地說，如果將范圍在V1-V2內(nèi)的電壓施加到電阻器32且然后再一次施加比V1小的電壓，所測量的流過電阻器32的電流沿著G2線。相反，如果將范圍比V2大的V3施加到電阻器32且然后再一次施加比V1小的電壓，則所測得電流沿G1線。從上述內(nèi)容可知，由于施加大于V1的范圍內(nèi)(V1-V2的范圍或大于V2的范圍)的電壓而帶來的電阻器32的電特性不會消失，而是保持下來。
結(jié)果，過渡金屬氧化物可以是用于電阻器32并應(yīng)用到非易失性存儲器件的材料。
關(guān)于數(shù)據(jù)記錄，可以利用當(dāng)施加范圍在V1-V2內(nèi)的電壓時(shí)電阻器32的狀態(tài)以及當(dāng)施加比V2大的范圍內(nèi)的電壓時(shí)電阻器32的狀態(tài)記錄數(shù)據(jù)，前一狀態(tài)被指定為狀態(tài)“0”，后一狀態(tài)被指定為狀態(tài)“1”。
關(guān)于數(shù)據(jù)讀取，施加在小于V1的范圍內(nèi)的電壓并測量漏極電流值“Id”，從而知道在電阻器32中存儲的數(shù)據(jù)是狀態(tài)“0”還是狀態(tài)“1”。在這里，狀態(tài)“0”和狀態(tài)“1”的指定是可選擇的。
將參考圖4A描述采用電阻器的非易失性存儲器件的工作原理。圖4A為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的采用具有多種電阻狀態(tài)的的電阻器的非易失性存儲器件的工作特性的曲線圖。
參考圖4A，描繪了一個(gè)復(fù)位狀態(tài)和四個(gè)設(shè)定狀態(tài)。該設(shè)定狀態(tài)包括第一電阻狀態(tài)‘1mA Comp’、第二電阻狀態(tài)‘5mA Comp’、第三電阻狀態(tài)‘10mAComp，和第四電阻狀態(tài)‘20mA Comp’。在這里，在各個(gè)電阻狀態(tài)中電阻大小的關(guān)系由第一電阻狀態(tài)＞第二電阻狀態(tài)＞第三電阻狀態(tài)＞第四電阻狀態(tài)給出。
參考圖4A，非易失性存儲器件的電阻器32利用兩個(gè)或多個(gè)設(shè)定狀態(tài)工作。具有多個(gè)設(shè)定狀態(tài)意味著豐富在電阻器32中存儲的數(shù)據(jù)種類是可能的。
將參考圖4A描述允許電阻器32具有四個(gè)設(shè)定電阻狀態(tài)的方法。在圖3中，施加到電阻器32的電壓逐漸地增加，電阻由設(shè)定狀態(tài)在V1處轉(zhuǎn)變成復(fù)位狀態(tài)，并由復(fù)位狀態(tài)在V2處轉(zhuǎn)變成設(shè)定狀態(tài)。因此，電阻由復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)變成設(shè)定狀態(tài)的過程是連續(xù)過程。在這一點(diǎn)上，轉(zhuǎn)變的電阻決定著電阻器32的電阻。結(jié)果，當(dāng)電阻由復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)變成設(shè)定狀態(tài)時(shí)，通過限制流過電阻器32的電阻值隨意地控制電阻器32的電阻是可能的。
再一次參考圖4A，在電阻由復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)變成設(shè)定狀態(tài)的點(diǎn)B處控制流過電阻器32的電流值是可能的。在這里，通過將流過電阻器32的電流設(shè)定為S1來將電阻器固定在第一電阻狀態(tài)是可能的。在這一點(diǎn)上固定的電阻值被稱為設(shè)定順從電流(set compliance current)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在S1處的該設(shè)定順從電流為1mA。通過以相同的方式分別控制在S2、S3和S4處固定順從電流變成5mA、10mA和20mA，來將電阻器32控制在所要求的電阻狀態(tài)是可能的。
圖4B為示出當(dāng)設(shè)定順從電流在圖4A的點(diǎn)B處分別被控制在1mA、5mA、10mA和20mA時(shí)電阻器32的電阻狀態(tài)的圖表。該圖針對在圖4A的A點(diǎn)處每個(gè)電阻狀態(tài)示出了復(fù)位電流值(設(shè)定順從電流值)，在該A點(diǎn)處電阻由設(shè)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變成復(fù)位狀態(tài)。
利用這個(gè)特性，電阻器32的電阻狀態(tài)被控制為所要求的狀態(tài)，使得數(shù)據(jù)可以在作為數(shù)據(jù)存儲器的電阻器32中以多個(gè)狀態(tài)記錄。同樣，如上所述，記錄在電阻器32中的數(shù)據(jù)的讀取能夠以如下方式實(shí)現(xiàn)將比在圖4A的A點(diǎn)的電壓小的電壓施加到電阻器32，以便讀取漏極電流值。
參考圖5，將參考等效電路圖詳細(xì)描述采用具有多種電阻狀態(tài)的電阻器的非易失性存儲器件的數(shù)據(jù)讀取方法。參考圖5，電阻器R與比較器C1、C2和C3電連接。各個(gè)比較器C1、C2和C3通過倒相器(inverter)與的COMS的NMOS(n)連接，并直接與CMOS的PMOS(p)連接。
比較器C1、C2和C3的比較電流值分別設(shè)定為1mA、5mA和10mA。如果施加對應(yīng)圖4A的點(diǎn)B的電壓，電阻器R由復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)變成設(shè)定狀態(tài)，從而電阻減小。此時(shí)，如果將電阻器R控制在圖4A的第一電阻狀態(tài)‘1mAComp’，則比較器C1設(shè)定為開啟狀態(tài)，且比較器C2和C3設(shè)定為關(guān)閉狀態(tài)。然后，將對應(yīng)于點(diǎn)B的電壓施加到電阻器R，在電阻器R中的電流逐漸地增加。如果電流值達(dá)到1mA，比較器C1工作且輸出“1”被傳送到CMOS。參考圖5，通過倒相器將值“1”轉(zhuǎn)變?yōu)橹怠?”，轉(zhuǎn)變后的值傳送到NMOS且值“1”直接傳送到PMOS。因此，NMOS和PMOS都變成關(guān)閉狀態(tài)，且從電源S提供的功率被切斷，從而將電阻器R的電阻狀態(tài)固定為第一電阻狀態(tài)。
同樣地，如果將電阻R設(shè)定為圖4A的第二電阻狀態(tài)，只有比較器C2設(shè)定為開啟狀態(tài)。如果將電阻器R設(shè)定為第三電阻狀態(tài)，只有比較器C3設(shè)定為開啟狀態(tài)。因此，電阻器R的電阻狀態(tài)可以被控制為所要求的狀態(tài)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)勢。
第一，有可能在具有一個(gè)電阻器、一個(gè)開關(guān)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)(1R-1S結(jié)構(gòu))的單位單元中存儲大量的信息，該結(jié)構(gòu)采用具有用于數(shù)據(jù)存儲的多種電阻狀態(tài)的電阻器。
第二，非易失性存儲器件的單位單元結(jié)構(gòu)本身是簡單的，可以照原樣使用眾所周知的諸如傳統(tǒng)的DRAM制造工藝的半導(dǎo)體工藝，因而可以提高生產(chǎn)率且降低制造成本。
第三，由于利用電阻器的電阻特性可以直接地以簡單的方式存儲和讀取信息，因此實(shí)現(xiàn)了高速工作特性。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的示范性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了特別的顯示和說明，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以在不背離權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對其中的實(shí)施例做出各種形式和細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種采用具有多種電阻狀態(tài)的電阻器的非易失性半導(dǎo)體存儲器件，所述存儲器件包括開關(guān)器件；以及與所述開關(guān)器件電連接且具有一個(gè)復(fù)位電阻狀態(tài)以及至少兩個(gè)或多個(gè)設(shè)定電阻狀態(tài)的電阻器。
2.如權(quán)利要求1所述的存儲器件，其中所述開關(guān)器件包括半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底中形成的第一雜質(zhì)區(qū)和第二雜質(zhì)區(qū)；以及與所述第一和第二雜質(zhì)區(qū)接觸的柵極結(jié)構(gòu)，其具有依次在所述半導(dǎo)體襯底上形成的柵極絕緣層和柵極電極層，所述電阻器與所述第二雜質(zhì)區(qū)電連接。
3.如權(quán)利要求2所述的存儲器件，其中所述第一和第二雜質(zhì)區(qū)以及所述柵極結(jié)構(gòu)被層間絕緣層覆蓋，且所述第二雜質(zhì)區(qū)通過穿過所述層間絕緣層的接觸插塞與所述電阻器電連接。
4.如權(quán)利要求1所述的存儲器件，其中所述電阻器包括過渡金屬氧化物。
5.如權(quán)利要求1所述的存儲器件，其中所述電阻器包括從由NiO、TiO2、HfO、Nb2O5、ZnO、ZrO2、WO3、CoO、Ge2Sb2Te5和PrxCa1-xMnO3組成的組中選擇的至少一種材料。
6.如權(quán)利要求1所述的存儲器件，進(jìn)一步包括比較器，其通過控制流過所述電阻器的電流值控制所述電阻器的電阻狀態(tài)。
7.一種非易失性存儲器件的操作方法，該存儲器件具有開關(guān)器件及與所述開關(guān)器件電連接的電阻器，所述電阻器具有一個(gè)復(fù)位電阻狀態(tài)以及至少兩個(gè)或更多設(shè)定電阻狀態(tài)，所述方法包括當(dāng)所述電阻器的電阻狀態(tài)由所述復(fù)位電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗鲈O(shè)定電阻狀態(tài)時(shí)，通過控制流過所述電阻器的電流值來控制所述電阻器的電阻狀態(tài)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括比較流過所述電阻器的所述電流值與參考電流值，當(dāng)所述電流值比所述參考電流值大時(shí)，切斷提供到所述電阻器的功率。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中通過與所述電阻器電連接的比較器執(zhí)行所述電流值與所述參考電流值的比較。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述開關(guān)器件包括半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底中形成的第一雜質(zhì)區(qū)和第二雜質(zhì)區(qū)；以及與所述第一和第二雜質(zhì)區(qū)接觸的柵極結(jié)構(gòu)，其具有依次在所述半導(dǎo)體襯底上形成的柵極絕緣層和柵極電極層，所述電阻器與所述第二雜質(zhì)區(qū)電連接。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述電阻器包括過渡金屬氧化物。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述電阻器包括從由NiO、TiO2、HfO、Nb2O5、ZnO、ZrO2、WO3、CoO、Ge2Sb2Te5和PrxCa1-xMnO3組成的組中選擇的至少一種材料。
全文摘要
提供了一種采用具有多種電阻狀態(tài)的電阻器的非易失性存儲器件及其操作方法。存儲器件包括開關(guān)器件和電阻器。電阻器與開關(guān)器件電連接且具有一個(gè)復(fù)位電阻狀態(tài)和至少兩個(gè)或多個(gè)設(shè)定電阻狀態(tài)。
文檔編號H01L27/105GK1790720SQ20051012024
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月6日
發(fā)明者徐順愛, 柳寅儆, 樸允童, 李明宰 申請人:三星電子株式會社