專利名稱：包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器(nonvolatile memory device)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，人們對(duì)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，以增加單位面積的存儲(chǔ)單元數(shù)量(即集成密度)和操作速度，并用低電力驅(qū)動(dòng)，并且已經(jīng)研制出各種類型的存儲(chǔ)器。
通常，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器包括很多通過(guò)電路連接的存儲(chǔ)單元。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)是有代表性的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，單位存儲(chǔ)單元一般由一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)電容組成。這樣的DRAM有利于增高集成密度和增快操作速度。然而，當(dāng)電力供應(yīng)切斷時(shí)，DRAM丟掉所有的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
比較起來(lái)，一些非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，比如快閃存儲(chǔ)器，即使突然斷電仍可以保存存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。快閃存儲(chǔ)器有非揮發(fā)性的特點(diǎn)，但是比揮發(fā)性的存儲(chǔ)器集成密度低和運(yùn)行速度慢。
現(xiàn)在，這樣的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器在艱苦地研究中，如磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)和相變(phase-change)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(PRAM)等。
MRAM利用在隧道結(jié)中的磁化方向的變化來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM利用鐵電體材料的極化方向來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。雖然MRAM和FRAM具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但是它們主要具有如上所述的集成信息密度高、運(yùn)行速度快和可以用低電力驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。而且，研究證明MRAM和FRAM有很好的數(shù)據(jù)保存的特點(diǎn)。
此外，PRAM是利用某種材料的特性，即隨著相變而產(chǎn)生的電阻改變來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一種存儲(chǔ)器，其包括一個(gè)電阻器和一個(gè)開(kāi)關(guān)(晶體管)。用于PRAM的電阻器是一種硫化物(VI族化合物，calcogenide)電阻器，其根據(jù)該電阻形成時(shí)控制的溫度變?yōu)榫w或非晶體。PRAM是在晶體電阻器比非晶體電阻器更具阻抗性的原理上形成的。在采用傳統(tǒng)的DRAM的生產(chǎn)工藝制造PRAM時(shí)，執(zhí)行蝕刻工藝變得復(fù)雜又耗時(shí)。相應(yīng)地，存儲(chǔ)器的生產(chǎn)率降低而生產(chǎn)成本增加，這樣減弱了其競(jìng)爭(zhēng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其用簡(jiǎn)單工藝制造，可以用低電力驅(qū)動(dòng)，具有快的運(yùn)作速度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器包括一個(gè)底部電極；一個(gè)電阻器結(jié)構(gòu)，布置在底部電極上；一個(gè)二極管結(jié)構(gòu)，布置在電阻器結(jié)構(gòu)上；和一個(gè)頂部電極，布置在二極管結(jié)構(gòu)上。
電阻器結(jié)構(gòu)可以包括緩沖層，布置在底部電極上；和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，布置在緩沖層上。
電阻結(jié)構(gòu)可以至少由下述一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
二極管結(jié)構(gòu)可以包括第一氧化層，布置在電阻器結(jié)構(gòu)上；第二氧化層，布置在第一氧化層上。此外，第一氧化層可以由p-型氧化物形成，而第二氧化層可以由n-型氧化物形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的陣列。該陣列包括至少二條位線，以規(guī)則間隔排列；至少二條字線，以規(guī)則間隔排列，并布置成與位線相交；電阻器結(jié)構(gòu)，布置在每個(gè)位線和字線相交處的位線上；以及二極管結(jié)構(gòu)，其設(shè)置成與電阻器結(jié)構(gòu)和字線相接觸。


本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)參照附圖通過(guò)對(duì)示范性實(shí)施例的詳細(xì)描述從此將變得更為顯見(jiàn)，其中圖1A圖解了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示范性實(shí)施例的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管；圖1B是表示如圖1A所示包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器所用材料特性的示意圖；圖2圖解了如圖1A所示的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的陣列結(jié)構(gòu)。
圖3是如圖2所示包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器陣列等效電路的示意圖；圖4是表示圖1所示包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器運(yùn)行特性的示意圖；和圖5是解釋如圖2和3所示包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器運(yùn)行原理的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下文，將參照附圖更全面地介紹根據(jù)本發(fā)明的包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，附圖中示出了本發(fā)明的示范性實(shí)施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的截面視圖。
參照?qǐng)D1A，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器包括基板10、底部電極11、電阻層12和13、二極管結(jié)構(gòu)14和15和頂部電極16，它們順序地疊堆起來(lái)。這里，電阻層12和13起到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的作用。第一電阻層12作為緩沖層，而第二電阻層13作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。起到緩沖層作用的第一電阻層12可以任選形成。二極管結(jié)構(gòu)14和15是p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，且包括第一氧化層14和第二氧化層15。
在此情況下，基板10可以是半導(dǎo)體基板，例如用于傳統(tǒng)半導(dǎo)體裝置上的硅(Si)基板。底部和頂部電極11和16可以由導(dǎo)體材料形成，例如傳統(tǒng)上用于半導(dǎo)體裝置電極的金屬。特別是，用于底部電極11的材料可以根據(jù)形成于其上的材料的種類選擇地決定。第一和第二電阻層12和13在底部電極11上形成。第一和第二電阻層12和13可以由過(guò)渡金屬氧化物形成，例如NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、Nb2O5中的至少一種。第一和第二電阻層12和13可以由相同的材料形成，例如NiO。
第一氧化層14可以由p-型氧化物形成，而第二氧化層15可以由n-型氧化物形成。例如，第一和第二氧化層14和15可以通過(guò)控制氧的比率得到透明的過(guò)渡金屬氧化物。過(guò)渡金屬氧化物具有導(dǎo)電特性，其隨著過(guò)渡金屬結(jié)合氧的數(shù)量而變化。第一和第二氧化層14和15可以采用與第二電阻層13相同的材料形成，但是，通過(guò)增加比第二電阻層13更多的氧的比率，它們呈現(xiàn)p-型半導(dǎo)體特性或n-型半導(dǎo)體特性。在下文，第一氧化層14和第二氧化層15將分別稱為p-型氧化層14和n-型氧化層15。
圖1B是表示如圖1A所示包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器所用材料特性的示意圖。具體地講，圖1B示出電阻隨著形成NiOx的分?jǐn)?shù)氧分壓(fraction oxygen partial pressure)的變化關(guān)系。
參照?qǐng)D1B，當(dāng)NiOx中氧的比例極小時(shí)(區(qū)域“A”)，NiOx類似于鎳的特性。然而，隨著氧的比例逐漸增加(區(qū)域“B”)，電阻快速增大，這顯示了開(kāi)關(guān)特性。隨著氧比例的進(jìn)一步增加(區(qū)域“C”)，電阻逐漸減小，這顯示了半導(dǎo)體特性。電阻層12和13的任何一個(gè)、p-型氧化層14和n-型氧化層15都可以由諸如氧化鎳(NiOx)的過(guò)渡金屬氧化物通過(guò)控制氧的比例來(lái)形成。在制造工藝上，采用濺射在試件上沉積同樣的過(guò)渡金屬，同時(shí)適當(dāng)控制注入反應(yīng)室的氧氣的量，可以依次原位形成電阻層12和13，p-型氧化層14，和n-型氧化層15。當(dāng)然，顯見(jiàn)NiO之外的其他過(guò)渡金屬氧化物及其組合可以表現(xiàn)出類似的特性。
圖2圖解了如圖1A所示包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的陣列結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D2，多個(gè)底部電極11規(guī)則間隔布置，而多個(gè)頂部電極16布置成與底部電極11相交叉。同樣地，電阻層12和13及p-n結(jié)二極管結(jié)構(gòu)14和15在底部電極11和頂部電極16的每個(gè)交叉點(diǎn)上形成。
圖3是如圖2所示包括一個(gè)電阻和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器陣列的等效電路圖。
在下文，將參照?qǐng)D4描述根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器第二電阻層13的電特性。在圖4中，橫軸表示通過(guò)頂部和底部電極16和11施與的電壓，縱軸表示通過(guò)第二電阻層13的電流。
圖4示出二個(gè)電流-電壓曲線G1和G2。曲線G1給出第二電阻層13的電阻降低的例子，即相同的電壓，通過(guò)第二電阻層13的電流增大。相比之下，曲線G2給出第二電阻層13的電阻增高的例子，即相同的電壓，通過(guò)第二電阻層13的電流減小。在本發(fā)明中，包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器利用如下詳細(xì)描述的不同的電流-電阻特性。
開(kāi)始，當(dāng)施與電壓從0到1V逐漸增加時(shí)，電流沿著曲線G1成比例增加。然而，隨著電壓施與到1V，電流突然減小，并沿著曲線G2變化。這一現(xiàn)象在V1≤V≤V2范圍內(nèi)也在繼續(xù)。此外，當(dāng)施與電壓在V2＜V時(shí)，電流再次沿著曲線G1增加。在這里，在曲線G1中的電阻稱為第一電阻，而在曲線G2中的電阻稱為第二電阻?？梢?jiàn)第二電阻層13的電阻在V1≤V≤V2范圍內(nèi)突然增加。
從而，本發(fā)明者確認(rèn)，根據(jù)本發(fā)明的包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器有如下特性。開(kāi)始，在施與電壓在V1≤V≤V2范圍內(nèi)之后，當(dāng)施與電壓范圍V＜V1時(shí)，檢測(cè)出的電流是基于曲線G2的。在施與電壓在V2＜V范圍內(nèi)之后，當(dāng)施與電壓范圍V＜V1時(shí)，檢測(cè)出的電流是基于曲線G1的。因此，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器可以相應(yīng)地運(yùn)用上述特性運(yùn)行。
也就是說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，當(dāng)通過(guò)底部和頂部電極11和16施與范圍為V2＜V的電壓時(shí)，第一電阻存儲(chǔ)在第二電阻層13中。同樣地，當(dāng)電壓施與范圍在V1≤V≤V2時(shí)，第二電阻存儲(chǔ)在第二電阻層13中。由施與電壓小于V1并讀取電流值，就可以讀取存儲(chǔ)在第二電阻層13中的存儲(chǔ)狀態(tài)。
圖5是解釋如圖2和3所示包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器運(yùn)行原理的示意圖。圖5圖解了四個(gè)存儲(chǔ)單元‘a(chǎn)a’，‘a(chǎn)b’，‘ba’，‘bb’，而每個(gè)位線B1和B2及字線W1和W2由一對(duì)單元共用。
在第二電阻層13中存儲(chǔ)第一電阻(圖4所示曲線G1)的過(guò)程稱為編程過(guò)程(設(shè)置)，而在第二電阻層13中存儲(chǔ)第二電阻(圖4所示曲線G2)的過(guò)程稱為擦除過(guò)程(重置)。
為了在圖5所示‘a(chǎn)a’單元存儲(chǔ)第一電阻，就要施與V2或更高的電壓。為了這樣運(yùn)行，給位線B1和字線W2施與V0(V2＜V0)的電壓。這樣，因?yàn)樵陧敽偷撞侩姌O之間沒(méi)有電位差，所以‘a(chǎn)b’和‘ba’單元不運(yùn)行。同樣，因?yàn)樵谄渖鲜┡c反向電壓，所以‘bb’單元也不運(yùn)行。因此第一電阻僅在‘a(chǎn)a’單元存儲(chǔ)。
此后，為了在‘a(chǎn)a’單元存儲(chǔ)第二電阻，應(yīng)該施與V1≤V≤V2的電壓。為了實(shí)現(xiàn)這樣的運(yùn)行，V1≤V≤V2的電壓僅施與位線B1和字線W2，而位線B2和字線W1接地。于是，第一電阻從‘a(chǎn)a’單元的第二電阻層13中擦除，而第二電阻在第二電阻層13中編程。第一電阻可以設(shè)計(jì)為‘0’，而第二電阻可以設(shè)計(jì)為‘1’，反過(guò)來(lái)設(shè)計(jì)也是可能的。
此外，‘a(chǎn)a’單元的第二電阻層13即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的電阻狀態(tài)可以采用通過(guò)給‘a(chǎn)a’單元施與比V1小的電壓Vr來(lái)測(cè)量電流值讀取。在此情況下，如上所述，電壓Vr僅施與給位線B1和字線W2，這可以確定所測(cè)量的電流對(duì)應(yīng)于圖4所示的相應(yīng)的曲線G1還是曲線G2，并讀取所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)第一，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的單位單元結(jié)構(gòu)包括一個(gè)二極管和一個(gè)電阻器，其依次疊堆。這樣，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器和其陣列單元結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上非常簡(jiǎn)單。
第二，本發(fā)明的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器可以采用傳統(tǒng)的DRAM制造工藝形成。與包括傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)裝置的存儲(chǔ)器不同，在其上形成的電阻層和二極管結(jié)構(gòu)可以通過(guò)控制氧的比例就地形成。結(jié)果，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的制造非常簡(jiǎn)單，因此提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本。
第三，考慮到本發(fā)明的運(yùn)行原理，采用具有獨(dú)特特性的材料這一簡(jiǎn)單方法可以存儲(chǔ)和復(fù)制數(shù)據(jù)，這樣能夠使存儲(chǔ)器高速運(yùn)行。
盡管本發(fā)明參照示范性實(shí)施例已經(jīng)進(jìn)行詳細(xì)示出和描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，在其上進(jìn)行的形式上和細(xì)節(jié)上的各種變化都不能脫離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其包括底部電極；電阻器結(jié)構(gòu)，其布置在該底部電極上；二極管結(jié)構(gòu)，其布置在該電阻器結(jié)構(gòu)上；和頂部電極，其布置在該二極管結(jié)構(gòu)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其中，該電阻器結(jié)構(gòu)包括緩沖層，其布置在該底部電極上；和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，其布置在該緩沖層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其中，該電阻器結(jié)構(gòu)至少由下述一組材料中選出的一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其中，該二極管結(jié)構(gòu)包括第一氧化層，其布置在該電阻結(jié)構(gòu)上；和第二氧化層，其布置在該第一氧化層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其中，該第一氧化層由p-型氧化物形成，該第二氧化層由n-型氧化物形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其中，p-型氧化物和n-型氧化物的任何一個(gè)至少由下述一組材料中選出的一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
7.一種包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的陣列，該陣列包括至少二條位線，它們以規(guī)則間隔排列；至少二條字線，它們以規(guī)則間隔排列，布置成與該位線相交叉。電阻器結(jié)構(gòu)，其布置在該位線和字線的每個(gè)交叉點(diǎn)處的該位線上。二極管結(jié)構(gòu)，其布置成與該電阻器結(jié)構(gòu)和該字線相接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陣列，其中，該電阻器結(jié)構(gòu)包括緩沖層，其布置在該底部電極上；和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，其布置在該緩沖層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陣列，其中，該電阻器結(jié)構(gòu)至少由下述一組材料中選出的一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陣列，其中，該二極管結(jié)構(gòu)包括第一氧化層，其布置在該電阻器結(jié)構(gòu)上；和第二氧化層，其布置在該第一氧化層上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的陣列，其中，該第一氧化層由p-型氧化物形成，而該第二氧化層由n-型氧化物形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的陣列，其中，p-型氧化物和n-型氧化物的任何一個(gè)至少由下述一組材料中選出的一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括一個(gè)電阻器和一個(gè)二極管的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。其包括底部電極；電阻器結(jié)構(gòu)，布置在底部電極上；二極管結(jié)構(gòu)，布置在電阻器結(jié)構(gòu)上；和上部電極，布置在二極管結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器可以用簡(jiǎn)單工藝制造，可以用低電力驅(qū)動(dòng)，具有快的運(yùn)作速度。
文檔編號(hào)H01L45/00GK1790726SQ20051012043
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者安承彥, 柳寅儆, 鄭鏞洙, 車映官, 李明宰, 徐大衛(wèi), 徐順愛(ài) 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社