專利名稱：可記錄電存儲(chǔ)器的制作的制作方法
可記錄電存儲(chǔ)器的制作
交叉引用相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求序列號(hào)為60/917,740 (申請(qǐng)日2007年5月14日)的美 國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。本申請(qǐng)還涉及序列號(hào)為11/855,532 (標(biāo)題為 "Recordable Electrical Memory (可記錄電存儲(chǔ)器)"，申請(qǐng)日2007年9 月14日)的美國(guó)專利申請(qǐng)，以及序列號(hào)為11/855,537 (標(biāo)題為"Recordable Electrical Memory (可記錄電存儲(chǔ)器)"，申請(qǐng)日2007年9月14日)的美 國(guó)專利申請(qǐng)。在此以上申請(qǐng)的內(nèi)容通過引用被合并到本發(fā)明。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及可記錄電存儲(chǔ)器的制作。非易失性存儲(chǔ)器(NVM)已經(jīng)被用于一些主要應(yīng)用領(lǐng)域，如微控制 器單元(MCU)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、多媒體內(nèi)容存儲(chǔ)、和閃存(Flash Memory)卡的程序存儲(chǔ)。ROM和閃存包括可設(shè)定地址存儲(chǔ)單元陣列。字 線(WordLine)和位線(BitLine)定義每個(gè)單元的地址。在閃存元件里， 每個(gè)單元包括一個(gè)浮柵(floatinggate)金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電晶體， 其中一個(gè)電隔離浮柵被用來存儲(chǔ)電荷。閃存元件有不同類型的構(gòu)造，如適 合各種應(yīng)用的NOR閃存或NAND閃存。非易失性存儲(chǔ)元件的另一個(gè)例子 是使用一種可電擦寫的相變材料，其通常能夠在非晶體狀態(tài)和晶體狀體之 間轉(zhuǎn)換。
發(fā)明概述 —方面，通過改變可記錄層的一個(gè)或多個(gè)材料特性，信息可以被記 錄在非易失性電存儲(chǔ)器里?？捎涗泴涌梢园ㄒ粋€(gè)或多個(gè)材料薄層。電路 如電導(dǎo)體可以被布置成，使得在層的不同位置上電路可以(l)通過產(chǎn)生一 個(gè)電流貫穿層，而執(zhí)行記入操作，從而改變那個(gè)位置上的材料和電特性和/ 或(2)通過檢測(cè)那個(gè)位置上的電特性，如電阻，可以執(zhí)行讀取操作。在另一方面，通過在存儲(chǔ)單元的不同狀態(tài)之間產(chǎn)生對(duì)比，信息被記錄在非易失性電存儲(chǔ)器里，狀態(tài)包括一個(gè)初始化狀態(tài)和一個(gè)或多個(gè)記入狀 態(tài)。通過比較一個(gè)從存儲(chǔ)單元讀取的數(shù)值和一個(gè)或多個(gè)預(yù)定值，并確定存 儲(chǔ)單元是否處于初始化狀態(tài)或一個(gè)記入狀態(tài)，可以從每個(gè)存儲(chǔ)單元讀取信 息。例如，數(shù)值可以是一個(gè)電阻值。在另一方面，通過對(duì)使用一個(gè)或多個(gè)有機(jī)和/或無機(jī)材料薄層的產(chǎn)生 電阻對(duì)比，信息可以被記錄在非易失性電存儲(chǔ)器里。在另一方面， 一種制作存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元的方法包括在基片上形 成第一電極，在相對(duì)基板的第一位置上放置光掩模(photomask),以及根 據(jù)在光掩模上的圖案在第一電極上方形成第一材料層。在相對(duì)基片的第二 位置上放置光掩模，根據(jù)光掩模上的圖案在第一材料層上方形成第二材料 層，第二材料層與第一材料層有偏移，從而存儲(chǔ)單元的第一子單元包括第 一材料層，但不包括第二材料層，存儲(chǔ)單元的第二子單元包括第一和第二 材料層。在第一和第二材料層上方形成第二電極。實(shí)施本方法可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。本方法包括在第三位置上 放置光掩模，根據(jù)光掩模上的圖案在第一和第二材料層上方形成第三材料 層，第三材料層處于第一電極和第二電極之間，第三材料層與第一和第二 材料層有偏移，從而存儲(chǔ)單元至少包括第一子單元、第二子單元和第三子 單元。第一子單元包括第一材料層，但不包括第二或第三材料層，然而， 第二子單元包括第一和第二材料層，但不包括第三材料層。第三子單元包 括第一和第三材料層，但不包括第二材料層。存儲(chǔ)單元包括第四子單元， 其包括第一、第二和第三材料層。第一位置和第二位置之間的距離小于光 掩模的最小線寬。在一些例子里，本方法包括在第四位置上放置光掩模，根據(jù)光掩模 上的圖案在第一、第二和第三材料層上方形成第四材料層，第四層處于第 一電極和第二電極之間，第四材料層與第一、第二和第三材料層偏移，從 而存儲(chǔ)單元至少包括第一子單元、第二子單元、第三子單元和第四子單元。 在一些例子里，本方法包括在第五位置上放置光掩模，根據(jù)光掩模上的圖 案在第一、第二、第三和第四材料層上方形成第五材料層，第五材料層與 第一、第二、第三和第四材料層有偏移，從而存儲(chǔ)單元至少包括第一子單元、第二子單元、第三子單元、第四子單元和第五子單元。在第二位置上放置光掩模包括從第一位置移動(dòng)光掩模一段距離到第
二位置，其中該距離小于光掩模的最小線寬。形成第一層包括形成一個(gè)具 有孔口的材料層，此孔口允許部分第一電極電接觸到部分第二電極。形成 第一材料層包括形成一個(gè)半導(dǎo)體層或一個(gè)絕緣材料層。本方法包括形成施 加寫入信號(hào)到存儲(chǔ)單元的電路。本方法包括形成從存儲(chǔ)單元輸出讀取信號(hào) 的電路。在另一方面， 一種方法包括通過在不同位置上放置光掩模，在每 個(gè)不同位置上根據(jù)光掩模而沉積材料層，制作存儲(chǔ)單元的子單元，不同子 單元具有不同材料層或不同材料層的組合。在另一方面， 一種方法包括制作一個(gè)具有存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器元件，
每個(gè)存儲(chǔ)單元至少有兩個(gè)子單元，包括在兩個(gè)或多個(gè)位置上放置光掩模， 光掩模具有預(yù)定圖案，在光掩模的每個(gè)位置根據(jù)光掩模的預(yù)定圖案至少形 成一個(gè)材料層，從而使不同子單元具有不同材料層或不同材料層的組合。實(shí)施本方法可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。制作子單元包括在三個(gè)位 置上放置光掩模以形成四個(gè)子單元。制作子單元包括在五個(gè)位置上放置光 掩模以形成九個(gè)子單元。在一些例子里，制作子單元包括在下電極上方沉 積第一層，調(diào)整光掩模的對(duì)準(zhǔn)位置，并在第一層上方沉積第二層。第一子 單元包括第一層，但不包括第二層，而第二子單元包括第一和第二層。在 一些例子里，制作子單元包括在下電極上方沉積第一層，蝕刻第一層，調(diào) 整光掩模的對(duì)準(zhǔn)位置，在第一層和下電極的露出部分上方沉積第二層，以 及蝕刻第二層。第一子單元包括第二層，但不包括第一層，且第二子單元 包括第一和第二層。每個(gè)材料層有一部分重疊另一個(gè)材料層的一部分。在兩個(gè)或多個(gè)位 置上放置光掩模包括放置光掩模在第一位置和第二位置上，第二位置間隔 離第一位置有一段距離，此距離小于光掩模的最小線寬。對(duì)光掩模的每個(gè) 位置至少形成一個(gè)材料層包括形成一個(gè)具有孔口的材料層，此孔口允許部 分第一電極電接觸到部分第二電極。至少形成一個(gè)材料層包括至少形成一料層。在另一方面， 一種方法包括使用光刻工藝(photolithography process)
在基片上制作電子元^N通過在一個(gè)相對(duì)基片的位置上放置光掩模來定義
電子設(shè)備的組件的邊界，而定義不同組件邊界時(shí)，依照步驟順序移動(dòng)光掩 模的對(duì)準(zhǔn)位置，其中在步驟順序期間的最小移動(dòng)距離小于電子設(shè)備的最小 線寬。實(shí)施本方法可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。電子元件可以包括一個(gè)具 有多個(gè)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)元件。每個(gè)存儲(chǔ)單元可以包括兩個(gè)或多個(gè)子單元。 本方法包括當(dāng)依照形成材料層的步驟順序移動(dòng)光掩模而形成材料層，材料 層相互偏離，從而形成具有不同層或不同層組合的組件。在另一方面， 一種光刻系統(tǒng)(lithography system)包括一個(gè)晶圓載物 臺(tái)以托住晶圓、 一個(gè)光掩模臺(tái)以托住光掩模、至少一個(gè)步進(jìn)電機(jī)(stepper motor)以驅(qū)動(dòng)光掩模臺(tái)、以及一個(gè)可編程控制器以控制至少一個(gè)步進(jìn)電機(jī)， 依照步驟順序移動(dòng)光掩模臺(tái)，在晶圓上制作存儲(chǔ)單元的子單元，每個(gè)步驟 涉及移動(dòng)光掩模臺(tái)一段距離，此距離小于光掩模的最小線寬，從而子單元 的尺寸小于光掩模的最小線寬。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)指令，當(dāng)指令被執(zhí)行時(shí)，使可 編程控制器控制至少一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，依照制作存儲(chǔ)單元的步驟順序移動(dòng)光 掩模臺(tái)，每個(gè)存儲(chǔ)單元有多個(gè)子單元。實(shí)施本系統(tǒng)可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。指令被執(zhí)行時(shí)，使可編程 控制器控制至少一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，以移動(dòng)光掩模臺(tái)，在各個(gè)位置上放置光掩 模，使第一材料層在一個(gè)位置上形成，該位置相對(duì)于第二材料層的位置偏 移一段距離，形成第一子單元包括第一材料層，但不包括第二材料層，第 二子單元包括第一和第二材料層，偏移距離小于光掩模的最小線寬。在另一方面， 一種裝置包括通過在一個(gè)相對(duì)基片(存儲(chǔ)元件在其 上制作)的位置上安置光掩模而定義存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元的子單元邊界的 裝置，以及依照步驟順序移動(dòng)光掩模對(duì)準(zhǔn)位置的裝置，其中在步驟順序期 間的最小移動(dòng)距離小于存儲(chǔ)單元的最小寬度。
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在另一方面， 一個(gè)存儲(chǔ)元件包括存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括一個(gè) 處于兩個(gè)金屬層之間的可記錄層。每個(gè)存儲(chǔ)單元被構(gòu)造和設(shè)計(jì)成， 一旦施 加初始化信號(hào)就從第一狀態(tài)變化到第二狀態(tài)， 一旦施加寫入信號(hào)就從第二 狀態(tài)變化到第三狀態(tài)。對(duì)一個(gè)指定范圍內(nèi)的電壓，其被施加在兩個(gè)金屬層 上，存儲(chǔ)單元在第一狀態(tài)上比第二狀態(tài)上有較低的電阻，在第二狀態(tài)上比 第三狀態(tài)上有較高的電阻。實(shí)施本存儲(chǔ)元件可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。通過施加初始化信號(hào) 到存儲(chǔ)單元，幾乎所有的存儲(chǔ)單元都被初始化，使存儲(chǔ)單元進(jìn)入第二狀態(tài)。 基于存儲(chǔ)單元內(nèi)第二狀態(tài)和第三狀態(tài)的對(duì)比，信息被記錄在存儲(chǔ)單元里。 在第一狀態(tài)上，對(duì)一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，存儲(chǔ)單元有一個(gè)類似電阻器的 電流-電壓特征。在第二狀態(tài)上，存儲(chǔ)單元有一個(gè)類似二極管的電流-電壓 特征。在第三狀態(tài)上，對(duì)一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，存儲(chǔ)單元有一個(gè)類似電 阻器的電流-電壓特征。存儲(chǔ)單元在第三狀態(tài)上比在第一狀態(tài)上有較低的電 阻。可記錄層至少包括一個(gè)半導(dǎo)體或一種絕緣材料，如矽、鍺、鍺硅(SiGe)、 碳化硅(SiC)或金剛石。可記錄層的厚度小于50nm。指定范圍是從-lV 到1V。初始化信號(hào)包括一個(gè)電壓小于3V的脈沖。寫入信號(hào)包括一個(gè)電壓 大于2V的脈沖。在第一狀態(tài)上，可記錄層有孔口，其允許第一金屬層部 分接觸到第二金屬層。 一旦施加初始化信號(hào)，與第二金屬層接觸的部分第 一金屬層與可記錄層的材料形成一個(gè)合金。在第二狀態(tài)上，在合金和至少 第一和第二金屬層之間形成一個(gè)類似Schottky的勢(shì)壘。第一和第二金屬層 至少包括鋁、金、銀、鈦、銅、和鋁合金中的一種金屬。存儲(chǔ)設(shè)備包括輸 出信號(hào)的電路，該信號(hào)顯示一個(gè)選擇的存儲(chǔ)單元是否處于第二狀態(tài)或第三 狀態(tài)。在另一方面， 一個(gè)存儲(chǔ)元件包括多個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括 一個(gè)處于兩個(gè)金屬層之間的可記錄層。每個(gè)存儲(chǔ)單元被構(gòu)造和設(shè)計(jì)成，一 旦施加初始化信號(hào)就從初始沉積狀態(tài)變化到初始化狀態(tài)、以及一旦施加寫 入信號(hào)就從初始化狀態(tài)變化到記入狀態(tài)。在初始沉積狀態(tài)上，存儲(chǔ)單元有 一個(gè)類似電阻器的電流-電壓(I-V)特征，在初始化狀態(tài)上，有一個(gè)類似 二極管的I-V特征，以及在記入狀態(tài)上，對(duì)一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，有一 個(gè)類似電阻器的I-V特征。
實(shí)施本存儲(chǔ)元件可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。當(dāng)一個(gè)具有-1.8V到 1.8V之間電壓的讀取信號(hào)被施加到兩個(gè)金屬層來測(cè)量存儲(chǔ)單元的電阻時(shí)， 存儲(chǔ)單元在初始沉積狀態(tài)上比在初始化狀態(tài)上有較低的電阻，而在初始化 狀態(tài)上比在記入狀態(tài)上有較高的電阻。初始化信號(hào)的電壓値是處于2倍的 讀取信號(hào)電壓値和75%的寫入信號(hào)電壓値之間。當(dāng)存儲(chǔ)單元處于記入狀態(tài) 時(shí)，對(duì)低于第一預(yù)定數(shù)值的電壓，存儲(chǔ)單元有一個(gè)類似電阻器的I-V特征， 而對(duì)高于第二預(yù)設(shè)數(shù)值的電壓，有一個(gè)類似二極管的I-V特征。根據(jù)在存 儲(chǔ)單元內(nèi)初始化狀態(tài)和記入狀態(tài)的對(duì)比，信息被記錄在存儲(chǔ)單元里。比對(duì) 存儲(chǔ)單元的電阻與參考值，可標(biāo)示記錄在存儲(chǔ)單元內(nèi)的信息。在另一方面，存儲(chǔ)元件包括多個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括一個(gè) 處于兩個(gè)金屬層之間的可記錄層，可記錄層包括一種材料，不同于此兩個(gè) 金屬層的材料，可記錄層有孔口，其允許第一金屬層的部分接觸到第二金 屬層，可記錄層的厚度小于50nm。實(shí)施本存儲(chǔ)元件可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。每個(gè)存儲(chǔ)單元被構(gòu)造 和設(shè)計(jì)成， 一旦施加初始化信號(hào)就從第一狀態(tài)變化到第二狀態(tài)、以及一旦 施加第一寫入信號(hào)或第二寫入信號(hào)就分別從第二狀態(tài)變化到第三狀態(tài)或從 第二狀態(tài)變化到第四狀態(tài)。在第一狀態(tài)上，對(duì)一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，存 儲(chǔ)單元有一個(gè)類似電阻器的電流-電壓特征。在第二狀態(tài)上，存儲(chǔ)單元有一 個(gè)類似二極管的電流-電壓特征。在第三和第四狀態(tài)上，對(duì)一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi) 的電壓，存儲(chǔ)單元有類似電阻器的電流-電壓特征。存儲(chǔ)單元在第一狀態(tài)上 比第二狀態(tài)上有較低的電阻?？捎涗泴又辽侔ㄒ粋€(gè)半導(dǎo)體或一個(gè)絕緣材 料?？捎涗泴影ú牧蠉u。在另一方面， 一種方法包括通過施加初始化信號(hào)到每個(gè)存儲(chǔ)單元， 初始化存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元，使存儲(chǔ)單元從初始沉積狀態(tài)變化到初始化狀 態(tài)， 一旦接收到寫入信號(hào)，初始化狀態(tài)上的存儲(chǔ)單元能夠變化到記入狀態(tài)。 在初始沉積狀態(tài)上，每個(gè)存儲(chǔ)單元有一個(gè)類似電阻器的電流-電壓(I-V) 特征，在初始化狀態(tài)上，有一個(gè)類似二極管的I-V特征，在記入狀態(tài)上， 對(duì)一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，有一個(gè)類似電阻器的I-V特征。在另一方面， 一種方法包括通過施加初始化信號(hào)到每個(gè)存儲(chǔ)單元， 初始化存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元，使存儲(chǔ)單元從第一狀態(tài)變化到第二狀態(tài)，一 旦接收到寫入信號(hào)，在第二狀態(tài)上的存儲(chǔ)單元能夠變化到第三狀態(tài)。對(duì)一 個(gè)被施加到存儲(chǔ)單元的指定范圍內(nèi)的電壓，存儲(chǔ)單元在第一狀態(tài)上比在第 二狀態(tài)上有較低的電阻，而在第二狀態(tài)上比在第三狀態(tài)上有較高的電阻。實(shí)施本方法可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。本方法包括通過在存儲(chǔ)單 元內(nèi)的第二和第三狀態(tài)之間產(chǎn)生對(duì)比，記錄信息在存儲(chǔ)單元里。在第一狀 態(tài)上，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括一個(gè)處于第一金屬層和第二金屬層之間的可記錄 層，并且可記錄層有孔口，其允許第一金屬層的部分接觸到第二金屬層。 初始化存儲(chǔ)單元包括與第二金屬層接觸的部分第一金屬層與可記錄層的材 料形成一個(gè)合金。本方法包括測(cè)試每個(gè)存儲(chǔ)單元是否能夠運(yùn)作。測(cè)試存儲(chǔ) 單元是否能夠運(yùn)作包括確定存儲(chǔ)單元是否在第一狀態(tài)時(shí)有一個(gè)比指定值高 的電阻，并確定存儲(chǔ)單元是否在第二狀態(tài)時(shí)有一個(gè)比指定值高的電阻。在另一方面， 一種制作存儲(chǔ)元件的方法，包括在第一金屬層上方沉 積一個(gè)半導(dǎo)體或絕緣材料層，半導(dǎo)體或絕緣材料層的厚度小于50nm，且 有露出第一金屬層的孔口，并在半導(dǎo)體或絕緣材料層上沉積第二金屬層， 通過在半導(dǎo)體或絕緣材料層里的孔口 ， 一部分第二金屬層接觸到第一金屬 層。實(shí)施本方法可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。本方法包括形成字線和位 線用來選擇多個(gè)存儲(chǔ)單元中的一個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括一個(gè)對(duì)應(yīng) 不同部分的第一金屬層、第二金屬層、和半導(dǎo)體或絕緣材料層。本方法包 括通過施加初始化信號(hào)到每個(gè)存儲(chǔ)單元來初始化存儲(chǔ)單元，使存儲(chǔ)單元從 第一狀態(tài)變化到第二狀態(tài)， 一旦接收到寫入信號(hào)，在第二狀態(tài)上的存儲(chǔ)單 元能夠變化到第三狀態(tài)。在另一方面， 一種存儲(chǔ)元件包括多個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括 一個(gè)處于兩個(gè)金屬層之間的可記錄層，可記錄層包括第一子單元和第二子 單元。每個(gè)存儲(chǔ)單元被構(gòu)造和設(shè)計(jì)成， 一旦施加初始化信號(hào)就從初始沉積狀態(tài)變化到初始化狀態(tài)， 一旦施加第一寫入信號(hào)就從初始化狀態(tài)變化到第 二記入狀態(tài)。對(duì)一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，在初始沉積狀態(tài)上存儲(chǔ)單元有一
個(gè)類似電阻器的電流(I-V)特征，在初始化狀態(tài)上有一個(gè)類似二極管的I-V 特征，在第一和第二記入狀態(tài)上有一個(gè)類似電阻器的I-V特征。實(shí)施本存儲(chǔ)元^^有一個(gè)或多個(gè)以下特征。第一子單元的厚度不同于 第二子單元的厚度。第一子單元有第一層數(shù)的材料層，其不同于在第二子 單元內(nèi)第二層數(shù)的材料層。第一子單元包含材料不同于第二子單元內(nèi)的材 料。第一子單元的形態(tài)不同于第二子單元的形態(tài)(morphology)?？捎涗泴?至少包括一個(gè)半導(dǎo)體或一個(gè)絕緣材料。對(duì)被施加到兩個(gè)金屬層的指定范圍 內(nèi)的電壓，存儲(chǔ)單元在初始沉積狀態(tài)上比在初始化狀態(tài)上有較低的電阻， 在初始化狀態(tài)上比在第一記入狀態(tài)上有較高的電阻，以及在初始化狀態(tài)上 比在第二記入狀態(tài)上有較高的電阻。在另一方面， 一種存儲(chǔ)器元件包括存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括一 個(gè)處于兩個(gè)金屬層之間的可記錄層，可記錄層至少包括第一子單元和第二 子單元，其中每個(gè)存儲(chǔ)單元被構(gòu)造和設(shè)計(jì)成， 一旦施加初始化信號(hào)就從第
一狀態(tài)變化到第二狀態(tài)，以及一旦施加第一寫入信號(hào)或第二寫入信號(hào)就分 別從第二狀態(tài)變化到第三狀態(tài)或從第二狀態(tài)變化到第四狀態(tài)。對(duì)一個(gè)被施 加到兩個(gè)金屬層的指定范圍內(nèi)的電壓，存儲(chǔ)單元在第一狀態(tài)上比在第二狀 態(tài)上有較低的電阻，在第二狀態(tài)上比在第三狀態(tài)上有較高的電阻，以及在 第二狀態(tài)上比在第四狀態(tài)上有較高的電阻。實(shí)施本存儲(chǔ)元件可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。第一子單元的厚度不 同于第二子單元的厚度。第一子單元有第一層數(shù)的材料層，不同于在第二 子單元內(nèi)第二層數(shù)的材料層。第一子單元包含材料不同于第二子單元內(nèi)的 另一種材料。第一子單元和第二子單元有不同的形態(tài)。可記錄層至少包括 一個(gè)半導(dǎo)體或一個(gè)絕緣材料。通過施加初始化信號(hào)到存儲(chǔ)單元，幾乎所有 的存儲(chǔ)單元被初始化，使存儲(chǔ)單元進(jìn)入到第二狀態(tài)。第一子單元被設(shè)置成 由第一寫入信號(hào)激活，而第二子單元被設(shè)置成不由第一寫入信號(hào)激活。第 一和第二子單元被設(shè)置成由第二寫入信號(hào)激活。
『0361根據(jù)在存儲(chǔ)單元內(nèi)第二狀態(tài)、第三狀態(tài)、和第四狀態(tài)之間的對(duì)比,三進(jìn)制信息被記錄在存儲(chǔ)單元內(nèi)。每個(gè)存儲(chǔ)單元被構(gòu)造和設(shè)計(jì)成， 一旦施 加第三寫入信號(hào)就從第二狀態(tài)變化到第五狀態(tài)。根據(jù)在存儲(chǔ)單元內(nèi)第二狀 態(tài)、第三狀態(tài)、第四狀態(tài)和第五狀態(tài)之間的對(duì)比，四進(jìn)制信息被記錄在存 儲(chǔ)單元內(nèi)。每個(gè)存儲(chǔ)單元被構(gòu)造和設(shè)計(jì)成， 一旦施加第j寫入信號(hào)就從第
二狀態(tài)變化到第i狀態(tài)，i是從5到n+l的任何數(shù)字，其中n25且j=i-2。 根據(jù)在存儲(chǔ)單元內(nèi)第二到第n+l狀態(tài)之間的對(duì)比，n進(jìn)制信息被記錄在存 儲(chǔ)單元內(nèi)。 —個(gè)相對(duì)參考值的存儲(chǔ)單元的電阻表示了被記錄在存儲(chǔ)單元內(nèi)的信 息。在第一狀態(tài)上，對(duì)一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，存儲(chǔ)單元有一個(gè)類似電阻 器的電流-電壓特征。在第二狀態(tài)上，存儲(chǔ)單元有一個(gè)類似二極管的電流-電壓特征。在第三和第四狀態(tài)上，對(duì)一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，存儲(chǔ)單元有 一個(gè)類似電阻器的電流-電壓特征。存儲(chǔ)單元在第三狀態(tài)上比在第一狀態(tài)上 有較低的電阻。存儲(chǔ)單元在第四狀態(tài)上比在第三狀態(tài)上有較低的電阻?？?記錄層的厚度小于50nm。指定范圍是從-lV到IV。初始化信號(hào)包括一個(gè) 電壓小于3V的脈沖。第一和第二寫入信號(hào)各自包括一個(gè)電壓大于2V的脈 沖。在第一狀態(tài)上，第一和第二子單元中的至少一個(gè)子單元有孔口，其 允許第一金屬層部分電接觸到第二金屬層。 一旦施加初始化信號(hào)，部分第 一金屬層與可記錄層的材料形成一個(gè)合金。在第二狀態(tài)上，在合金和第一 和第二金屬層中的至少一個(gè)金屬之間形成一個(gè)類似Schottky的勢(shì)壘。第一 和第二金屬層至少包括鋁、金、銀、鈦、銅和鋁合金中的一種金屬。半導(dǎo) 體或絕緣材料層至少包括矽、鍺、鍺硅、碳化硅和金剛石中的一種材料。 存儲(chǔ)元件包括輸出信號(hào)的電路，此信號(hào)顯示存儲(chǔ)單元是否處于第二狀態(tài)、 第三狀態(tài)或第四狀態(tài)。在另一方面， 一個(gè)存儲(chǔ)元件包括多個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括 一個(gè)處于兩個(gè)金屬層之間的可記錄層，可記錄層至少包括第一子單元和第 二子單元，至少一個(gè)子單元有孔口，其允許第一金屬層部分電接觸到第二 金屬層，可記錄層的厚度小于50nm。在另一方面， 一種方法包括通過施加初始化信號(hào)到每個(gè)存儲(chǔ)單元來 初始化存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)單元，使存儲(chǔ)單元從第一狀態(tài)變化到第二狀態(tài)，一 旦接收到第一寫入信號(hào)，在第二狀態(tài)上的存儲(chǔ)單元能夠變化到第三狀態(tài)， 一旦接收到第二寫入信號(hào)，在第二狀態(tài)上的存儲(chǔ)單元能夠變化到第四狀態(tài)。 對(duì)一個(gè)被施加到存儲(chǔ)單元的指定范圍內(nèi)的電壓，存儲(chǔ)單元在第一狀態(tài)上比 在第二狀態(tài)上有較低的電阻，在第二狀態(tài)上比在第三狀態(tài)上有較高的電阻， 在第二狀態(tài)上比在第四狀態(tài)上有較高的電阻。實(shí)施本方法可以有一個(gè)或多個(gè)以下特征。本方法包括通過對(duì)在存儲(chǔ) 單元內(nèi)第二狀態(tài)、第三狀態(tài)、和第四狀態(tài)之間產(chǎn)生對(duì)比，記錄二進(jìn)制信息 在存儲(chǔ)單元內(nèi)。本方法包括通過施加第一寫入信號(hào)激活第一子單元而不是 第二子單元。本方法包括通過施加第二寫入信號(hào)激活第二子單元。在第一 狀態(tài)上，存儲(chǔ)單元包括一個(gè)處于第一金屬層和第二金屬層之間的可記錄層， 可記錄層有第一子單元和第二子單元，且至少一個(gè)子單元有孔口，其允許 第一金屬層部分電接觸到第二金屬層。初始化存儲(chǔ)單元包括使第一金屬層 的部分與可記錄層的材料形成一個(gè)合金。本方法包括測(cè)試每個(gè)存儲(chǔ)單元是 否是能夠運(yùn)作。測(cè)試存儲(chǔ)單元是否能夠運(yùn)作包括確定存儲(chǔ)單元是否在第一 狀態(tài)下有一個(gè)低于指定值的電阻，并確定存儲(chǔ)單元是否在第二狀態(tài)下有一 個(gè)高于指定值的電阻。本發(fā)明的特征可以有一個(gè)或多個(gè)以下優(yōu)點(diǎn)?？捎涗涬姶鎯?chǔ)元件可以 是節(jié)省成本的(即低成本/比特)、用戶友好的、現(xiàn)場(chǎng)可編程的、需要較短 交付周期、以及能夠滿足各種應(yīng)用，如MP3播放器、蜂窩電話、個(gè)人數(shù)字 助理、數(shù)碼相機(jī)、和攝錄機(jī)等。存儲(chǔ)單元可以被初始化到一個(gè)具有預(yù)定特征的穩(wěn)定狀態(tài)，從而容易檢測(cè)到有缺陷的存儲(chǔ)單元以避免使用。存儲(chǔ)單元 可以有多個(gè)記入狀態(tài)，從而多進(jìn)制數(shù)據(jù)可以被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元內(nèi)。每個(gè)存
儲(chǔ)單元可以有n個(gè)子單元，其中通過使用一種掩模移動(dòng)技術(shù)，使用相同的 光刻模可以制造n個(gè)子單元。使用少于n個(gè)對(duì)準(zhǔn)調(diào)整步驟，可以制造n個(gè) 子單元。僅需要少量電力來寫入數(shù)據(jù)到可記錄電存儲(chǔ)元fK可記錄電存儲(chǔ) 元件可以有高密度的存儲(chǔ)單元，從而比相同物理尺寸的許多其它類型的存 儲(chǔ)元件(包括閃存)有更高的存儲(chǔ)能力。與閃存相比，制作可記錄電存儲(chǔ) 元件使用較少的材料，而且也可以使用較簡(jiǎn)易的制作工藝。使用現(xiàn)有CMOS 制造工藝，可以制作可記錄電存儲(chǔ)器?；诓牧系淖兓瑪?shù)據(jù)被寫入到可 記錄電存儲(chǔ)元件內(nèi)，從而數(shù)據(jù)將較不易受到電磁干擾。從以下的描述和權(quán)利要求，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將越發(fā)清晰。


圖1A到1C分別顯示一部分可記錄電存儲(chǔ)器件的透視圖、側(cè)視圖和圖2A到2C是一個(gè)包括具有孔口或材料島的可記錄層的存儲(chǔ)單元的 示意圖。圖3顯示具有一個(gè)記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元的I-V曲線。圖4顯示具有四個(gè)記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元的I-V曲線。圖5A到5E顯示通過使用光刻對(duì)準(zhǔn)調(diào)整制作一個(gè)具有四個(gè)不同記入 狀態(tài)的存儲(chǔ)單元的過程。圖6A到6C顯示存儲(chǔ)單元的等效電路示意圖。圖7A到7F顯示通過使用光刻對(duì)準(zhǔn)調(diào)整制作一個(gè)具有九個(gè)不同記入 狀態(tài)的存儲(chǔ)單元的過程。
「0521圖8顯示制造能夠存儲(chǔ)四進(jìn)制信息的存儲(chǔ)單元的過程。
圖9顯示一個(gè)芯片，其包括用來制作可記錄電存儲(chǔ)器件的可記錄電 存儲(chǔ)區(qū)域。圖IO顯示一部分可記錄電存儲(chǔ)區(qū)域和在可記錄電存儲(chǔ)區(qū)域外的一部 分芯片區(qū)域的截面圖。圖IIA到IIF顯示一個(gè)NOR類型可記錄電存儲(chǔ)元件的層俯視圖。
圖12是一個(gè)包括存儲(chǔ)控制器和多個(gè)存儲(chǔ)陣列的存儲(chǔ)元ff^的模塊圖。
圖13是一個(gè)存儲(chǔ)控制器的模塊圖。圖14是一個(gè)包括可記錄電存儲(chǔ)元件100的微控制器的模塊圖。圖15是一個(gè)表示可記錄電存儲(chǔ)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖16A和16B顯示一個(gè)被設(shè)置成有一個(gè)記入狀態(tài)的可記錄電存儲(chǔ)器 的樣本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線圖。圖17A和17B顯示一個(gè)被設(shè)置成有三個(gè)記入狀態(tài)的可記錄電存儲(chǔ)器 的樣本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線圖。圖18是一個(gè)雙層可記錄電存儲(chǔ)元f^的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
發(fā)明詳述 1.綜述圖1A、 1B和1C分別顯示部分可記錄電存儲(chǔ)器件100的透視圖、側(cè) 視圖和俯視圖。存儲(chǔ)器件100包括一個(gè)可記錄層110。 一旦施加一個(gè)能量， 該層的材料特性會(huì)被改變，從而"寫入"一個(gè)記號(hào)在該層上。使用電的方 法(如使用電讀出信號(hào))，隨后就可以檢測(cè)該層的材料特性(如電阻、電阻 系數(shù))。根據(jù)材料特性與有關(guān)可被檢測(cè)出的一個(gè)或多個(gè)參考值的對(duì)比，信息
17被記錄在存儲(chǔ)器件100內(nèi)，從而從該層"讀取"以確定之前是否寫入了一
個(gè)記號(hào)。例如， 一個(gè)單元的電阻可以與一個(gè)或多個(gè)參考值進(jìn)行比較，以確 定是否有信息被記錄在該區(qū)域內(nèi)。例如，參考值可以是參考單元的電阻值。
通過使用可選擇性存取可記錄層110中單個(gè)位置的存取電路，存儲(chǔ)器件100
可以有多個(gè)能夠被單獨(dú)修改和檢測(cè)(例如，寫入或讀取)的存儲(chǔ)位置。在此說明書里， 一層的材料特性上的變化包括在該層里的原子或分 子類型、密度和排列發(fā)生變化。 一層的材料特性上的變化可能與該層的一 個(gè)或多個(gè)電特性(如電阻系數(shù)和結(jié)特性，如Schottky勢(shì)壘或歐姆結(jié))的變 化有關(guān)。材料特性上的變化并不僅僅意味著在特別位置上積聚的電荷數(shù)量 的變化，如在電容器或浮柵上積聚的電荷。在一些例子里，存取電路包括位于可記錄層110 —面116上的并沿 著x方向延伸的字線140。平行的字線140沿著y方向被分隔開。位線130 位于可記錄層110的另一面118上，并沿著y方向延伸。平行的位線130 沿著x方向被分隔開。在字線140和位線130的每個(gè)相交處是一個(gè)能夠單 獨(dú)尋址的存儲(chǔ)單元120。通過使用一個(gè)寫入信號(hào)穿過一對(duì)選擇的字線和比 特線，信息被記錄在存儲(chǔ)單元120內(nèi)，從而改變存儲(chǔ)單元120上部分可記 錄層110的材料特性。字線140和位線130不一定必須直接接觸到存儲(chǔ)單元120。可以通過 傳導(dǎo)層或傳導(dǎo)線，將字線130和位線140電連接到存儲(chǔ)單元120。存儲(chǔ)單元120不一定必須有明顯的邊界。在一些可記錄電存儲(chǔ)器件 IOO的例子里，可記錄層IIO可以包括一個(gè)或多個(gè)連續(xù)材料層，所以通常 使用術(shù)語"存儲(chǔ)單元"，來包括可以被一對(duì)選擇的字線和位線單獨(dú)存取的一 部分可記錄層110。存儲(chǔ)單元120可以包括被連接到字線和位線的電極，且可以包括其 它組成部分。 一個(gè)存儲(chǔ)單元可以有一個(gè)或多個(gè)子單元。每個(gè)子單元有一個(gè) 或多個(gè)子層，且不同的子單元可以有不同子層或不同子層的組合。
在一些例子里，可記錄層110跨越幾個(gè)存儲(chǔ)單元120，傳導(dǎo)性的字線 和位線被電連接到可記錄層110。如下所述，可記錄層110可以有一個(gè)未 寫入("原始"或"初始沉積(as-deposited)")狀態(tài)、初始化狀態(tài)和記入狀 態(tài)?？捎涗泴?10的電特性具有特征，如(1)在未寫入狀態(tài)，多數(shù)電流僅 能夠穿過由字線和位線定義的存儲(chǔ)單元，(2)與任何記入狀態(tài)相比，穿過 定義的存儲(chǔ)單元的電流較小，(這可以通過選擇製程參數(shù)而實(shí)現(xiàn)，使得與記 入狀態(tài)相比，未寫入狀態(tài)有一個(gè)更高的電阻)，和(3)初始狀態(tài)比未寫入 狀態(tài)可以有一個(gè)更高的電阻。可以施加能量到可記錄層110，以改變一個(gè)區(qū)域的電阻(電特性)， 該區(qū)域由所選擇的存儲(chǔ)單元的電極所定義，例如，施加一個(gè)初始化信號(hào)或 具有一定功率値和/或持續(xù)有效的寫入信號(hào)，以導(dǎo)致可記錄層110內(nèi)的材料 特性的改變。初始化信號(hào)或?qū)懭胄盘?hào)可以包括單脈沖，或一系列的子脈沖 (或其它合適的電壓或電流驅(qū)動(dòng)信號(hào))。如圖1B所示，當(dāng)一個(gè)初始化信號(hào)或?qū)懭胄盘?hào)被施加到存儲(chǔ)單元120 時(shí)，初始化信號(hào)或?qū)懭胄盘?hào)可以引起一個(gè)電流流經(jīng)存儲(chǔ)單元120，并產(chǎn)生 熱能，其導(dǎo)致修改可記錄層110里的材料特性，例如，通過在單元內(nèi)產(chǎn)生 化學(xué)反應(yīng)，或使不同材料混合在一起。材料變化可能是不可逆的，因?yàn)椴?可以使用其它信號(hào)來還原材料特性。 一旦應(yīng)用寫入信號(hào)可以改變材料特性 的例子包括在該層內(nèi)的電阻系數(shù)和介面特性，如Schottky勢(shì)壘或歐姆介面。在本說明書里，存儲(chǔ)單元120可以有初始沉積(as-deposited)狀態(tài)、 初始化狀態(tài)、和一個(gè)或多個(gè)記入狀態(tài)。術(shù)語"初始沉積狀態(tài)"是指可記錄 電存儲(chǔ)器件100的層已經(jīng)被沉積(鍍)、并在初始化存儲(chǔ)單元120之前的一 種情況，從而可記錄層110保持其"原始"材料和電特性。術(shù)語"初始化 狀態(tài)"是指在初始化信號(hào)已被施加到存儲(chǔ)單元120之后、寫入信號(hào)被施加 到存儲(chǔ)單元120之前的一種情況。初始化信號(hào)使可記錄層110內(nèi)的材料特 性(以及電特性)發(fā)生變化。初始化狀態(tài)是一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，其具有可以不 同于初始沉積狀態(tài)和記入狀態(tài)的電特性。術(shù)語"記入狀態(tài)"是指在已經(jīng)施 加寫入信號(hào)之后的一種情況，從而在可記錄層110上發(fā)生另一個(gè)材料變化， 導(dǎo)致材料特性(以及電特性)再次發(fā)生變化。術(shù)語"初始化記號(hào)"是指一部分可記錄層110在初始化狀態(tài)下，術(shù)語"記錄的記號(hào)"是指一部分可記
錄層在記入狀態(tài)下。
2.存儲(chǔ)單元可記錄層110可以由不同材料組成。依照存儲(chǔ)單元120的構(gòu)造，存 儲(chǔ)單元120可以有，例如(1) 一個(gè)初始沉積狀態(tài)、 一個(gè)初始化狀態(tài)和一個(gè) 登記入狀態(tài)，或(2) —個(gè)初始沉積狀態(tài)、 一個(gè)初始化狀態(tài)和多個(gè)記入狀態(tài)。 在第一種情況下，當(dāng)存儲(chǔ)單元120在初始化狀態(tài)時(shí)，施加寫入信號(hào)使存儲(chǔ) 單元120變化到記入狀態(tài)。每個(gè)存儲(chǔ)單元可以被用來記錄二進(jìn)制信息。在 第二種情況下，當(dāng)存儲(chǔ)單元120在初始化狀態(tài)時(shí)，施加寫入信號(hào)使存儲(chǔ)單 元120變化到多記入狀態(tài)中的一個(gè)記入狀態(tài)。每個(gè)存儲(chǔ)單元可以被用來記 錄，如二進(jìn)制、四進(jìn)制或n進(jìn)制的信息。
2.1存儲(chǔ)單元的初始化和記入存儲(chǔ)單元的初始化和記入會(huì)在以下描述。使用多個(gè)層， 一旦施加初 始化信號(hào)就發(fā)生第一材料變化、 一旦施加寫入信號(hào)就發(fā)生其他材料變化， 可以制作具有初始沉積狀態(tài)、初始化狀態(tài)和一個(gè)或多個(gè)記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單 元120。參照?qǐng)D2A，在一些例子里，存儲(chǔ)單元120包括一個(gè)薄的可記錄層110， 其位于在第一 (下)金屬電極152和第二 (上)金屬電極154之間。第一 和第二電極152和154可以由鋁制成?？捎涗泴覫IO可以由半導(dǎo)體材料制 成，如硅、鍺、硅鍺和碳化硅。半導(dǎo)體材料可以是n型或p型，并可以摻 雜雜質(zhì)?？捎涗泴?10也可以由絕緣材料制成，如金剛石。可記錄層110 的厚度(或有效厚度)可以是，例如小于100、 50、 25、 10、 5、 3、或lnm。 第一電極152和第二電極154可以被分別電連接到字線140和位線130。 第一和第二金屬電極152和154各自可以由，例如鋁、金、銀、鈦、銅、 或以上金屬的合金制成，且厚度可以大于50nm。在一些例子里，可記錄層IIO有孔156，以允許第一金屬電極152 和第二金屬電極154接觸。此孔156只有較小的范圍，從而可記錄層IIO 并不是完全地傳導(dǎo)的。存儲(chǔ)單元110有類似電阻器的電流-電壓(I-V)特征。類似電阻器的電流-電壓特征可以包括，例如一種幾乎線性的電流-電
壓關(guān)系。當(dāng)存儲(chǔ)單元有一個(gè)lur^的面積時(shí)，在初始沉積狀態(tài)存儲(chǔ)單元120 的電阻可以是，如千兆歐姆的數(shù)量級(jí)。如圖2B所示，通過在第一金屬電極152上沉積一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體或 絕緣材料的不連續(xù)區(qū)域或島狀物150，可以制作出可記錄層110。島狀物材 料150有一個(gè)"有效厚度"，其被定義為材料體積除以材料覆蓋面積和材料 之間面積的總和。島狀物150的直徑可以被制成小于字線140和位線130 的寬度。例如，當(dāng)使用30nm的半導(dǎo)體制作工藝時(shí)，字線和位線的寬度可 能是130nm，島狀物150的直徑可以被制成大約10nm。因?yàn)槊總€(gè)字線和 位線覆蓋若干島狀物材料150，相對(duì)字線和位線，島狀物150看起來是一 個(gè)具有有效厚度的連續(xù)層。通過使用包括但不限于物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、等離子增強(qiáng) 化學(xué)氣相沉積、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積、或分子束外延生長(zhǎng)的技術(shù)， 使用比用來形成第一和第二金屬電極152、 154更低的運(yùn)作功率或更短的運(yùn) 作時(shí)間，可以制成材料島150。島狀物150可以有多于一個(gè)類型的半導(dǎo)體或絕緣材料。例如，沉積 第一類型材料島狀物的第一層，緊接著沉積第二類型材料的島狀物的第二 層。在一些例子里，島狀物150可以有不同的大小尺寸，且一些島狀物 150可以是相連的。在一些例子里，當(dāng)沉積的材料增加時(shí)，許多島狀物150 變成連接的，產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)材料層，但具有一些空位156 (或孔)分布在 整個(gè)層，如圖2C所示，從而材料層并不完全覆蓋或重疊其它層(如152)。初始沉積狀態(tài)可以被設(shè)計(jì)成比至少一個(gè)穩(wěn)定的記入狀態(tài)有更高的電 阻或更低的電阻。在以下所述的例子里，假設(shè)初始沉積狀態(tài)比所有記入狀 態(tài)有更高的電阻。例如，存儲(chǔ)單元120可以被處理成，使得一個(gè)小的子單 元包括一個(gè)具有孔156或島狀物150的可記錄層110，且在第一和第二電 極152和154之間的接觸被限制在小的子單元，從而初始沉積狀態(tài)比記入狀態(tài)有更高的電阻。小的子單元可以被用于"初始化"，其中子單元在初始
化之后變成半導(dǎo)電的，產(chǎn)生一個(gè)Schottky勢(shì)壘。在半導(dǎo)體或絕緣材料層110被沉積在第一金屬電極152上之后，第 二金屬電極154被沉積在可記錄層110上，并填充空位156而接觸第一金 屬電極152。第一和第二金屬電極152、 154之間接觸的結(jié)果就是，存儲(chǔ)單 元120在初始沉積狀態(tài)有類似電阻器的電流-電壓特征。在制作存儲(chǔ)器件100之后， 一旦施加初始化信號(hào)(例如，其可以小 于3V)，由于初始化期間電流引起的熱能，在孔位156內(nèi)的部分第一金屬 電極152 (在一些情況下，第一金屬電極152接觸到部分的第二金屬電極 154)在層IIO里與半導(dǎo)體或絕緣材料形成合金，成為一個(gè)合金材料層。選 擇在層110內(nèi)的半導(dǎo)體或絕緣體、第一金屬電極152和第二金屬電極154 的材料，使得在合金和第一和第二金屬電極152、 154中的至少一個(gè)金屬電 極之間形成一個(gè)類似Schottky的勢(shì)壘。結(jié)果，在初始化狀態(tài)上，存儲(chǔ)單元 120有類似二極管的電流-電壓特征。在一些例子里，初始化信號(hào)可以被設(shè)計(jì)成不小于2倍的設(shè)^K賣取電 壓以及不大于75。/。的設(shè)^H己入電壓。例如，初始化信號(hào)可以有一個(gè)大約 0.6V到2V之間的范圍。類似二極管的電流-電壓特征可以包括，例如一種非線性電流-電壓關(guān) 系，其中當(dāng)電壓低于閾值電壓時(shí)，電流-電壓曲線的斜率很小，而當(dāng)電壓大 于閾值電壓時(shí)，斜率顯著上升。由于類似Schottky的勢(shì)壘，當(dāng)施加一個(gè)小 的電壓以偏壓存儲(chǔ)單元120時(shí)，存儲(chǔ)單元120并不導(dǎo)電(除了有一個(gè)小的
滲漏電流)。當(dāng)增加正向偏壓超過一個(gè)閾值電壓VT時(shí)，電流開始流過。如上所述，存儲(chǔ)單元120可以有一個(gè)具有孔位(或島狀物)的可記 錄層110的第一子單元，以及沒有孔位(或島狀物)的可記錄層110的其 它子單元。 一旦施加初始化信號(hào)，第一子單元形成一個(gè)合金，從而第一子 單元有一個(gè)類似二極管的I-V特征。而施加初始化信號(hào)，其它子單元不發(fā) 生變化。
22
在一些實(shí)施例里，存儲(chǔ)單元120可以有一個(gè)具有多個(gè)子層的可記錄 層(例如，參照?qǐng)D5E、 7F和8)。第一子單元可以有一個(gè)或多個(gè)具有孔位 或島狀物的子層，從而通過第一子單元的可記錄層內(nèi)的孔位，部分下電極 電接觸到部分上電極。其它子單元有至少有一個(gè)子層沒有孔位，從而其它 子單元下電極不會(huì)電接觸到上電極。 一旦施加初始化信號(hào)，第一子單元形 成一個(gè)合金，從而第一子單元有一個(gè)類似二極管的I-V特征。而施加初始 化信號(hào)，其它子單元不發(fā)生變化。 —旦施加寫入信號(hào)(例如，其可以是大于2V)，由于在施加寫入信 號(hào)期間由電流引起的熱能，沒有孔位的可記錄層110的子單元可以不可逆 地發(fā)生反應(yīng)，以形成一個(gè)類似歐姆連接。在初始化階段產(chǎn)生合金材料的子 單元，可能還與第一和第二金屬電極152、 154熔合，從而層150和金屬層 152、 154之間的界面表現(xiàn)類似于歐姆連接。因此，在施加寫入信號(hào)之后， 存儲(chǔ)單元120表現(xiàn)如一個(gè)電阻器。因?yàn)榭捎涗泴?10是薄的，可以使用少量能量來記錄數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)單 元120,從而數(shù)據(jù)可以快速地被寫入到存儲(chǔ)單元120內(nèi)。不同存儲(chǔ)器件100 可以有不同的寫入脈沖鏈策略。通常，數(shù)據(jù)被寫入到存儲(chǔ)單元120內(nèi)，可 以使用一個(gè)在幾個(gè)微秒范圍內(nèi)小于3.5V電壓的寫入信號(hào)。
2.2初始化具有一個(gè)記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元圖3顯示具有一個(gè)記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元120的I-V曲線例子。I-V曲 線160、 162、和164分別代表存儲(chǔ)單元120在初始沉積狀態(tài)、初始化狀態(tài) 和記入狀態(tài)上的電流-電壓特征。 一旦施加一個(gè)電壓f直(或功率f直)高于預(yù) 定閾值的寫入信號(hào)，存儲(chǔ)單元120從初始化狀態(tài)變化到記入狀態(tài)。如I-V曲線160所示，在初始沉積狀態(tài)上，存儲(chǔ)單元120有類似電 阻器的特征。如I-V曲線162所示，在初始化狀態(tài)上，存儲(chǔ)單元120有類 似二極管的特征。當(dāng)正向偏壓V小于閾值電壓Vt吋，電流I是可以忽略 的，或等于一個(gè)小的泄漏電流，它不會(huì)隨著電壓V按比例地增加。如I-V 曲線164所示，在施加寫入信號(hào)之后，存儲(chǔ)單元120表現(xiàn)如一個(gè)電阻器，其中電流與應(yīng)用電壓v成比例，即使是對(duì)于小的電壓。在這個(gè)例子里，在 記入狀態(tài)上存儲(chǔ)單元120的電阻高于在初始沉積狀態(tài)的存儲(chǔ)單元的電阻。通過施加一個(gè)0伏特到VT之間電壓V的讀取信號(hào)到存儲(chǔ)單元120， 并感應(yīng)流經(jīng)存儲(chǔ)單元120的電流I，能夠確定存儲(chǔ)單元是否已經(jīng)被初始化 或記入。例如，在初始化狀態(tài)和記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元可以分別代表數(shù)據(jù)比 特"0"和"1"。寫入信號(hào)可以是一個(gè)2伏特或更高的電壓値，讀取信號(hào)可以是一個(gè) 小于IV、如50到700mV的電壓《直。通過在存儲(chǔ)單元120的不同狀態(tài)間產(chǎn) 生電流差異，信息可以被載入到存儲(chǔ)元件100內(nèi)。在一些例子里，初始沉 積狀態(tài)和初始化狀態(tài)之間的電流對(duì)比量可能大于10，即11/12^10，其中對(duì) 一個(gè)給定的電壓，Il代表在初始沉積狀態(tài)的電流，而I2代表在初始化狀態(tài) 的電流。在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)單元120時(shí)，選擇用于可記錄層110的半導(dǎo)體或絕緣材 料的類型、半導(dǎo)體材料的摻雜程度(如果使用摻雜)、和用于電極152和 154的金屬類型，使得存儲(chǔ)單元120在初始沉積狀態(tài)上有一個(gè)特別類似電 阻器的特征，在初始化狀態(tài)上有一個(gè)特別類似二極管的特征，以及在記入 狀態(tài)上有一個(gè)特別類似電阻器的特征，從而產(chǎn)生一個(gè)期望的對(duì)比在初始沉 積狀態(tài)、初始化狀態(tài)和記入狀態(tài)之間。
2.3具有多個(gè)記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元通過將存儲(chǔ)單元分割成多個(gè)子單元，不同子單元有不同閾值對(duì)應(yīng)寫 入信號(hào)，存儲(chǔ)單元120可以被設(shè)定成具有多個(gè)記入狀態(tài)。當(dāng)寫入信號(hào)高于 第一閾值時(shí)，在第一子單元上發(fā)生材料變化。當(dāng)寫入信號(hào)高于第二閾值時(shí)， 在第一子單元和第二子單元上發(fā)生材料變化，以此類推。在不同區(qū)域上或 區(qū)域的不同組合上的材料變化導(dǎo)致在記入狀態(tài)上的可測(cè)量的差異。圖4顯示具有四個(gè)記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元120的I-V曲線例子。I-V曲 線170、 172、 174、 176、 178和180分別代表存儲(chǔ)單元120在初始沉積狀 態(tài)、初始化狀態(tài)、第一記入狀態(tài)、第二記入狀態(tài)、第三記入狀態(tài)和第四記入狀態(tài)上的電流-電壓特征。如I-V曲線170所示，在初始沉積狀態(tài)上存儲(chǔ) 單元120有類似電阻器的特征。如I-V曲線172所示，在初始化狀態(tài)上存 儲(chǔ)單元120有類似二極管的特征。當(dāng)寫入信號(hào)的電壓値在如2到2.3V、 2.5至lj2.7V、 2.9到3.2V和3.3 到3.8V之間時(shí)，可以設(shè)計(jì)存儲(chǔ)單元120分別進(jìn)入第一、第二、第三和第四 記入狀態(tài)。如I-V曲線174、 176、 178和180所示，在施加一個(gè)處于第一、 第二、第三和第四范圍內(nèi)的寫入信號(hào)之后，存儲(chǔ)單元120分別表現(xiàn)如一個(gè) 具有第一、第二、第三和第四電阻值的電阻器。在這個(gè)例子里，在記入狀 態(tài)上存儲(chǔ)單元120的電阻低于在初始沉積狀態(tài)上存儲(chǔ)單元的電阻。通過施加一個(gè)在0伏特到VT之間電壓V的讀取信號(hào)到存儲(chǔ)單元120， 并感應(yīng)流經(jīng)存儲(chǔ)單元120的電流I，能夠確定存儲(chǔ)單元是否已被初始化或 記入，以及存儲(chǔ)單元120處于哪個(gè)記入狀態(tài)。例如，存儲(chǔ)單元在初始化狀 態(tài)上可以表示數(shù)據(jù)比特"0"，存儲(chǔ)單元在第一、第二、第三和第四記入狀 態(tài)上可以分別表示數(shù)據(jù)比特"1"、 "2"、 "3"和"4"。圖5A到5D顯示使用光刻對(duì)準(zhǔn)(photolithography alignment)技術(shù)來 制作具有四個(gè)不同記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元的過程。存儲(chǔ)單元120的四個(gè)子單 元的制作，是使用單個(gè)光刻掩模(Photolithography Mask),安放在三個(gè)不 同位置。參照?qǐng)D5A， 一個(gè)具有開口 192的光刻掩模190被放置在存儲(chǔ)單元 120的區(qū)域A上方(存儲(chǔ)單元的邊界在圖5A到5C內(nèi)沒有顯示出來)。掩 模190被放置且對(duì)齊參考記號(hào)193。使用光刻工藝，并使用掩模190來形 成由區(qū)域A上的開口 192定義的材料層A。材料層A是在下電極上方形成， 且可以有材料島或孔位，以允許上電極穿過孔位接觸到下電極。材料A可 以是半導(dǎo)體或絕緣體。參照?qǐng)D5B，在相對(duì)于區(qū)域A的Y方向上移動(dòng)掩模190，使得開口 192被安放在區(qū)域B上(一部分區(qū)域B重疊區(qū)域A)。使用光刻工藝，并 使用掩模l卯來形成由區(qū)域B上的開口 192定義的材料層B。材料層B的一部分重疊材料層A。材料B可以是半導(dǎo)體或絕緣體，可以有類似或不同 于材料A的組成物和厚度。參照?qǐng)D5C，在相對(duì)于區(qū)域A的X方向上移動(dòng)掩模190，使得開口 192被安放在區(qū)域C上。 一部分區(qū)域C重疊區(qū)域A和B。使用光刻工藝， 并使用掩模1卯來形成由區(qū)域C上的開口 192定義的材料層C。材料層C 的第一部分重疊材料層A，但不重疊材料層B，材料層C的第二部分重疊 材料層A和B。材料C可以是半導(dǎo)體或絕緣體，并且可以有類似或不同于 材料A和B的組成物和厚度。參照?qǐng)D5D，在區(qū)域A上方形成一個(gè)上電極。上和下電極重疊的區(qū) 域195 (虛線顯示)定義部分可記錄層110， 一旦施加初始化信號(hào)或?qū)懭胄?號(hào)，其發(fā)生反應(yīng)。存儲(chǔ)單元120包括4個(gè)不同子單元具有材料A的第一 子單元194、具有材料A+B的第二子單元196、具有材料A+C的第三子單 元198、和具有材料A+B+C的第四子單元200。部分上電極通過第一子單 元194內(nèi)的材料A上的孔位接觸到下電極。不直接處于電極之間(即在圖 5D虛線的外邊)的其他材料B和C對(duì)存儲(chǔ)單元120的運(yùn)作沒有明顯的影 響。在一些實(shí)施例里，在用于形成材料層A的光掩模190的第一部分和 用于形成材料層B的光掩模190的第二部分之間的距離小于光掩模的最小 線寬。例如，可以設(shè)計(jì)光掩模190，使得與能夠分辨最小線寬w的光刻系 統(tǒng)一起使用。通過移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)光掩模190，可以獲得尺寸小于w的存儲(chǔ)單元 120。圖5E是在下電極152上(上電極未顯示)有材料層A、 B和C的 存儲(chǔ)單元120的透視圖。在圖5A到5C，在掩模190內(nèi)僅有一個(gè)開口 192被顯示。掩模190 也可以有多個(gè)開口 192，從而可以同時(shí)制作多個(gè)存儲(chǔ)單元120。
「01071當(dāng)存儲(chǔ)單元120處于初始沉積狀態(tài)時(shí)，由于通過在第一子單元1內(nèi)的材料A上的孔位，上和下電極之間的接觸，存儲(chǔ)單元120有類似電阻 器的電流-電壓特征，類似于圖4的I-V曲線170。有半導(dǎo)體或絕緣材料連 續(xù)層的第二、第三和第四子單元196、 198和200比第一子單元194有更高 的阻抗。當(dāng)初始化信號(hào)被施加到存儲(chǔ)單元120時(shí)，初始化信號(hào)使部分電極與 第一子單元194內(nèi)的材料A—起形成合金。合金和下和/或上電極之間的界 面有一個(gè)類似Schottky的勢(shì)壘，使存儲(chǔ)單元具有類似二極管的電流-電壓特 征，類似于圖4的I-V曲線172。該初始化信號(hào)并不足以在第二、第三或 第四子單元196、 198和200內(nèi)發(fā)生材料變化。當(dāng)具有第一脈沖波形(不同于初始化信號(hào))的第一寫入信號(hào)被施加 到初始化狀態(tài)的存儲(chǔ)單元120時(shí)，寫入信號(hào)使得在第一子單元194內(nèi)再次 發(fā)生材料變化，從而第一子單元194有類似電阻器的電流-電壓特征。存儲(chǔ) 單元120進(jìn)入第一記入狀態(tài)，且具有類似電阻器的電流-電壓特征，類似于 圖4的I-V曲線174。當(dāng)具有第二脈沖波形的第二寫入信號(hào)被施加到初始化狀態(tài)的存儲(chǔ) 單元120時(shí)，寫入信號(hào)使得在一個(gè)子單元內(nèi)(如第二子單元196)發(fā)生材 料變化，從而第一和第二子單元194和196有類似電阻器的電流-電壓特征。 存儲(chǔ)單元120進(jìn)入第二記入狀態(tài)，并具有類似電阻器的電流-電壓特征，類 似于圖4的I-V曲線170。 —個(gè)第二記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元120的等效電路如圖6A所示。第一 和第二子單元194和196平行連接，并分別由平行連接的電阻器RA和R^ 表示。第二記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元120的電阻小于第一記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元 120的電阻。當(dāng)具有第三脈沖波形的寫入信號(hào)被施加到初始化狀態(tài)的存儲(chǔ)單元 UO時(shí)，寫入信號(hào)使得在第二和第三子單元196和198內(nèi)發(fā)生材料變化， 從而第一到第三子單元194到198有類似電阻器的電流-電壓特征。存儲(chǔ)單 元120進(jìn)入第三記入狀態(tài)，并具有類似電阻器的電流-電壓特征，類似于圖4的I-V曲線178。 —個(gè)第三記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元120的等效電路如圖6B所示。第一、 第二和第三子單元194、 196和198分別由平行連接的RA、 Ra+b和RA+C 表不。當(dāng)具有第四脈沖波形的寫入信號(hào)被施加到初始化狀態(tài)的存儲(chǔ)單元 120時(shí)，寫入信號(hào)使得在第二、第三和第四子單元196、 198和200內(nèi)發(fā)生 材料變化，從而第一到第四子單元194、 196、 198和200有類似電阻器的 電流-電壓特征。存儲(chǔ)單元120進(jìn)入第四記入狀態(tài)，并具有類似電阻器的電 流-電壓特征，類似于圖4的I-V曲線180。 —個(gè)第四記入狀態(tài)的存儲(chǔ)單元120的等效電路如圖6C所示。第一、 第二、第三和第四子單元194、 196、 198和200分別由平行連接的RA、 Ra+b 、 Ra+c禾口 Ra+b+c表不°材料薄層的材料變化的例子在美國(guó)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?1/503,671， 標(biāo)題"Electrical Thin Film Memory", 2006年8月14日申請(qǐng))里有描述， 在此通過引用被合并入本發(fā)明。例如，當(dāng)施加寫入信號(hào)到存儲(chǔ)單元120時(shí)， 電流從位線130流經(jīng)存儲(chǔ)單元120到字線140 (反之亦然)，并產(chǎn)生穿過存 儲(chǔ)單元的電場(chǎng)可引起壓迫，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致"材料崩潰"。電流按fR的比例散 熱到可記錄層110內(nèi)，其中I代表電流，R代表存儲(chǔ)單元120的電阻。熱 能使可記錄層110從初始沉積狀態(tài)不可逆地變化到初始化狀態(tài)，或從初始 化狀態(tài)不可逆地變化到一個(gè)記入狀態(tài)。圖7A到7F顯示使用光刻對(duì)準(zhǔn)調(diào)整技術(shù)來制作具有九個(gè)不同記入狀 態(tài)的存儲(chǔ)單元121的過程。使用單個(gè)光刻掩模190安放在五個(gè)不同位置上， 可以制作存儲(chǔ)單元121的九個(gè)子單元。光掩模190有一個(gè)開口 192,類似 于圖5A到5D里的光掩模。在圖7A到7F，顯示了開口 192的邊界，但沒 有顯示光掩模190。
「01181參照?qǐng)D7A，在區(qū)域A的下電極上方形成一個(gè)材料層A。材料層A可以有被間隔開的材料島，或有孔位以允許上電極接觸到下電極。材料A 可以是半導(dǎo)體或絕緣材料。參照?qǐng)D7B到7E，光刻對(duì)準(zhǔn)被依次移動(dòng)到區(qū)域B、 C、 D和E以形 成材料層B、 C、 D和E。每個(gè)材料層B、 C、 D和E可以是半導(dǎo)體或絕緣 材料，并可以有類似或不同于其它層的組成物或厚度。如圖7B所示，一 部分材料層B重疊一部分材料層A。如圖7C所示，部分材料層C重疊部 分材料層A和B。如圖7D所示，部分材料層D重疊部分材料層A和C。 如圖7E所示，部分材料層E重疊部分材料層A、 B和D。參照?qǐng)D7F，在區(qū)域A (如圖7A所示的整個(gè)區(qū)域A)上方形成一個(gè) 上電極。上和下電極重疊(虛線顯示)的區(qū)域123定義部分可記錄層110， 一旦施加初始化信號(hào)或?qū)懭胄盘?hào)它會(huì)發(fā)生反應(yīng)。區(qū)域覆蓋9個(gè)不同的子單 元具有材料A的第一子單元210、具有材料A+B的第二子單元212、具 有材料A+C的第三子單元214、具有材料A+D的第四子單元216、具有材 料A+E的第五子單元218、具有材料A+B+E的第六子單元220、具有材 料A+B+C的第六子單元222、具有材料A+C+D的第八子單元224、和具 有材料A+D+E的第九子單元。具有九個(gè)不同子單元的圖7F的存儲(chǔ)單元121可以有九個(gè)不同記入 狀態(tài)，并可以存儲(chǔ)九元(9-nary)數(shù)據(jù)。通過使用一個(gè)寫入信號(hào)(該寫入 信號(hào)的電壓値和/或脈沖數(shù)目以及脈沖時(shí)間是在九個(gè)不同范圍或九個(gè)不同 脈沖波形中間選擇出來的)，數(shù)據(jù)被寫入到存儲(chǔ)單元121。初始化存儲(chǔ)單元121類似于初始化存儲(chǔ)單元120 (圖5D)。寫入數(shù) 據(jù)到存儲(chǔ)單元121的九個(gè)子單元也類似于寫入數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)單元120的四個(gè) 子單元，除了可以使用更多寫入級(jí)別來實(shí)現(xiàn)更多記入狀態(tài)。圖8顯示制作能夠存儲(chǔ)四進(jìn)制信息的存儲(chǔ)單元125的過程的例子。 在一個(gè)基板上形成一個(gè)下電極152。第一層材料被濺射246到下電極152 上。安放一個(gè)掩模，使得掩模上的暗色圖案237是處在第一位置232上， 使得第一層的部分材料被暗色圖案237覆蓋。蝕刻過程248蝕刻掉沒有被暗色圖案237覆蓋的部分第一層材料，導(dǎo)致第一層材料234殘留在下電極 152上。沒有位于下電極152和上電極之間的部分第一層材料234(圖中未 顯示)，并不會(huì)顯著地影響存儲(chǔ)單元125的運(yùn)作。在第二濺射步驟250、遮蓋步驟259和第二蝕刻步驟252之后，形 成第二材料層238。移動(dòng)定位調(diào)整，使得暗色圖案237是處在第二位置236 上，以遮蓋不要蝕刻的部分第二層材料238。類似地，在第三濺射步驟254、 遮蓋步驟260和第三蝕刻步驟256之后，形成第三材料層242。在第四濺 射步驟258之后，形成第四材料層244。第四材料層244覆蓋下電極152 上方的整個(gè)區(qū)域。上電極被沉積在第四材料層244上。圖8的存儲(chǔ)單元125有四個(gè)不同的子單元包括第四材料層244的 第一子單元260、包括第三和第四材料層242和244的第二子單元262、包 括第二、第三和第四材料層238、 242和244的第三子單元264、包括第一、 第二、第三和第四材料層234、 238、 242和244的第四子單元266。第四材料層244可以包括間隔分開的材料島、或具有孔位的材料層， 從而通過第四材料層244內(nèi)的孔位，部分上電極接觸到下電極。
2.4集成的可記錄電存儲(chǔ)器件圖9顯示一個(gè)芯片270的例子，它包括一個(gè)可記錄電存儲(chǔ)(REME) 區(qū)域272用來制作可記錄電存儲(chǔ)器件100。器件100包括字線、位線和可 記錄層，但不一定必須包括主動(dòng)器件，如電晶體。用來選擇字線和位線的 主動(dòng)器件，是在REME區(qū)域272之外的區(qū)域274上制作。區(qū)域274可以包括其它電路，如一個(gè)中央處理單元或一個(gè)微控制器。 芯片270，包括電薄膜存儲(chǔ)器件IOO和其它模塊，可以使用一個(gè)類似標(biāo)準(zhǔn) 1-聚化物(poly)、 2-金屬半導(dǎo)體過程的工藝制作，其能夠制作具有多晶硅 層、第一金屬層、第二金屬層和氮化物層的器件。光掩模被用來對(duì)每層形 成圖案以實(shí)現(xiàn)期望的幾何形狀。在存儲(chǔ)單元120有一個(gè)記入狀態(tài)的例子里，可記錄層110可以是一 個(gè)連續(xù)層，其覆蓋整個(gè)芯片270，從而不一定必須使用額外的光掩模來對(duì) 可記錄層110形成圖案。在存儲(chǔ)單元120有多個(gè)記入狀態(tài)的例子里，可記 錄層110可以有局部的子層。存儲(chǔ)單元120也可以有一個(gè)連續(xù)子層和其它 的局部子層?？捎涗泴覫IO位于位線130 (其可以通過電極，如圖2A內(nèi)的154， 直接或間接接觸到可記錄層110)和下電極152之間。分別使用1-聚化物 (poly)、 2-金屬工藝的第二金屬層和第一金屬層，可以制作位線130和下 電極。使用l-聚化物、2-金屬工藝的多晶硅層，可以制作字線140。摻雜 氮化物的區(qū)域276提供一個(gè)從字線140到下電極152的電路。使用制作存儲(chǔ)單元120的相同的1-聚化物(poly)、 2-金屬工藝，也 可以制作區(qū)域274內(nèi)的器件。在區(qū)域274內(nèi)的器件如電晶體，可以在可記 錄層110上和/或下制作。在一些例子里，位線的寬度是1300nm，可記錄層110的厚度是在 大約5nm到50nm之間。圖IIA顯示一個(gè)NOR類型可記錄電存儲(chǔ)器件100 (具有遮掩下層 的上層)的布局俯視圖。圖形顯示一個(gè)參考格280，其中每個(gè)小正方形代 表一個(gè)R乘R的面積，人代表光刻工藝內(nèi)使用的光波長(zhǎng)，以確定層的幾 何圖形。每個(gè)存儲(chǔ)單元120 (其中一個(gè)被粗虛線圈住)占用一個(gè)6人乘10人 的面積。這個(gè)大小比得上一個(gè)接觸可編程N(yùn)OR類型ROM元件的大小。通 過位線130和字線140，可以存取每個(gè)存儲(chǔ)單元120。圖11A顯示兩個(gè)完 整的存儲(chǔ)單元(在圖形下部分)和兩個(gè)不完整的存儲(chǔ)單元(在圖形上部分)。
「01351圖IIA還顯示了氮化物層、多晶硅層、接觸層、金屬-l層和金屬-2層的圖注。在制作器件100期間，通常首先形成氮化物層(沉積、蝕刻和
摻雜)，隨后依次是復(fù)晶硅層、第一金屬層、可記錄層iio和第二金屬層。圖11B到11F各自顯示存儲(chǔ)器件100的不同層的布圖。圖IIB顯示 氮化物層276的布置， 一部分氮化物層276被摻雜，以提供一個(gè)電路在多 晶硅字線140和下電極152之間。圖IIC顯示多晶硅字線140的布置。圖 11D顯示下電極152的下部282的布置。圖11E顯示下電極152的布置， 其是在第一金屬層上制成。圖IIF顯示位線130的布置，其是在1-聚化物(poly)、 2-金屬工藝 的第二金屬層上制成?？捎涗泴?10位于位線130和接觸層170上部之間。 在第二金屬層被沉積(deposited)之前，可記錄層110被沉積在芯片270上。當(dāng)使用一個(gè)130nm半導(dǎo)體制作工藝時(shí)，可記錄電存儲(chǔ)器件100的每 個(gè)存儲(chǔ)單元在x-y平面上可以有一個(gè)大約260nm乘260nm的尺寸。 一旦施 加初始化信號(hào)和寫入信號(hào)時(shí)發(fā)生的反應(yīng)可以是吸熱反應(yīng)，所以沒有散熱問 題，在單個(gè)存儲(chǔ)器件內(nèi)允許多個(gè)可記錄層沿著z方向堆疊。使用一種具有光源、投影透鏡系統(tǒng)、晶圓載物臺(tái)、光掩模臺(tái)、在X 和Y方向上驅(qū)動(dòng)光掩模臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)、和控制步進(jìn)電機(jī)的可編程控制器的 光刻系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)制作存儲(chǔ)單元的光刻過程。每個(gè)步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)比存 儲(chǔ)單元最小線寬更小的精度。在一些例子里，存儲(chǔ)單元的最小線寬與光掩 模的最小線寬相同。晶圓載物臺(tái)托住一個(gè)基片或晶圓，在其上制作存儲(chǔ)器 件。光掩模載物臺(tái)托住光掩模(如190)。系統(tǒng)包括一個(gè)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)指 令，當(dāng)存儲(chǔ)指令被執(zhí)行時(shí)，使可編程控制器能夠控制步進(jìn)電機(jī)，依照制作 存儲(chǔ)單元(每個(gè)存儲(chǔ)單元有多個(gè)子單元)的步驟順序移動(dòng)光掩模載物臺(tái)。例如，假設(shè)圖5D的存儲(chǔ)單元有一個(gè)wxw的尺寸，其中w是光掩 模190的最小線寬。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)w/2的精度，從而光掩?？梢砸苿?dòng)一 個(gè)與w/2—樣小的距離，使能夠制作具有尺寸w/2xw/2的子單元。為了制 作圖5D的存儲(chǔ)單元120，控制器控制步進(jìn)電機(jī)以在+Y方向上移動(dòng)光掩模 190—個(gè)w/2的距離，使得開口 192從區(qū)域A移動(dòng)到區(qū)域B。然后，步進(jìn)電機(jī)在-Y方向上移動(dòng)光掩模190 —個(gè)w/2的距離、并在+X方向上移動(dòng)步 進(jìn)電機(jī)一個(gè)w/2的距離，從而開口 192被移動(dòng)到區(qū)域C。例如，假設(shè)圖7F的存儲(chǔ)單元121有一個(gè)wxw的尺寸，其中w是光 掩模190的最小線寬。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)w/3的精度，從而光掩?？梢砸苿?dòng) 一個(gè)與w/3—樣小的距離，使能夠制作具有尺寸w/3xw/3的子單元。為了 制作圖7F的存儲(chǔ)單元121 ，控制器控制步進(jìn)電機(jī)，在形成材料層B之前(圖 7B)，在+X方向上移動(dòng)光掩模190—個(gè)2w/3的距離。步進(jìn)電機(jī)在-X方向 上移動(dòng)光掩模l卯 一個(gè)2w/3的距離，然后，在形成材料層C之前(圖7C)， 在-Y方向上移動(dòng)光掩模190 —個(gè)2w/3的距離。在形成材料層D之前(圖 7D),步進(jìn)電機(jī)在+Y方向上移動(dòng)光掩模一個(gè)2w/3的距離、并在-X方向上 移動(dòng)光掩模一個(gè)2w/3的距離。在形成材料層E之前(圖7E)，步進(jìn)電機(jī)在 +X方向上移動(dòng)光掩模一個(gè)2w/3的距離、并在+Y方向上移動(dòng)光掩模一個(gè) 2w/3的距離。
3.薄層理論可記錄層110是薄的。例如，在圖5A到5E，材料層A、 B和C的 厚度可以分別是28nm、 5nm和7nm。材料薄層M的材料特性可以不同于 塊材型態(tài)(in bulk form)材料M的材料特性。依照以下的描述，至少可以 部分理解具有薄的子層的可記錄層的性能，但是不受在此描述的任何理論 的限制。 一種被稱為材料的Debye (德拜)長(zhǎng)度的參數(shù)，通常是指在材料 內(nèi)應(yīng)用電荷或電場(chǎng)所能作用的距離。可記錄層材料的Debye長(zhǎng)度可以用來 預(yù)測(cè)或解釋可記錄層的性能行為。因?yàn)樵诓牧螹1和材料M2的界面之間橫移的電荷產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)、以 及記錄層厚度是和可記錄層材料的Debye長(zhǎng)度相關(guān)的，這些可以幫助記入 時(shí)材料M1和材料M2的結(jié)合。即是說，即使不增加一個(gè)外部電場(chǎng)(如在 電導(dǎo)體之間)，電荷轉(zhuǎn)移將產(chǎn)生一個(gè)明顯的電場(chǎng)。材料的Debye長(zhǎng)度，通常與材料內(nèi)的載荷子(Charge Carrier)的云 團(tuán)厚度有關(guān)，根據(jù)載荷子密度其屏蔽一個(gè)應(yīng)用電荷或電場(chǎng)。當(dāng)材料中有一 個(gè)帶電粒子(Charged Particle)，該帶電粒子將吸引具有相反極性的載荷子，
33從而載荷子云團(tuán)將包圍住該帶電粒子。載荷子云團(tuán)將帶電粒子的電場(chǎng)屏蔽 開，并且載荷子密度越高，在一個(gè)給定距離內(nèi)的屏蔽效果就越大。由于帶
電粒子的屏蔽，電勢(shì)cp依照等式以指數(shù)級(jí)數(shù)衰退
<formula>formula see original document page 34</formula>
其中P。是帶電粒子上的電勢(shì)，x是距離帶電粒子的距離，^是Debye長(zhǎng)度， 其可以被表示為
<formula>formula see original document page 34</formula> (等式1)
參考"Introduction to Plasma Physics (等離子體物理介紹)"，作者Francis Chen， 1.4章節(jié)Debye Shielding (Debye屏蔽)，第8-ll頁(yè)。Debye長(zhǎng)度
代表屏蔽距離或載荷子的云團(tuán)厚度的一個(gè)度量。當(dāng)材料內(nèi)的局部電荷密度的變化引起的電場(chǎng)有變動(dòng)時(shí)，在幾個(gè) Debye長(zhǎng)度范圍內(nèi)的載荷子大都感覺到變動(dòng)的影響。例如，電荷密度變化 可以由，例如，載荷子移動(dòng)經(jīng)過界面而引起，或由外部電磁場(chǎng)或由于熱效 應(yīng)而引起電荷密度變動(dòng)。當(dāng)具有不同電子能級(jí)(如不同的最高未占據(jù)電子能級(jí)，稱為導(dǎo)電帶 (conduction band)或HUMO，和最低占據(jù)電子能級(jí)，稱為價(jià)電帶(valance band)或LOMO)的兩種材料接觸時(shí)，電荷分離將導(dǎo)致在界面上產(chǎn)生一個(gè)電 場(chǎng)。電場(chǎng)的影響被靠近界面的載荷子鞘(sheath of charge carrier)屏蔽或降 低。當(dāng)兩種材料是薄層時(shí)，例如，薄層總厚度小于Debye長(zhǎng)度，將會(huì)有一 個(gè)完全貫穿此兩層的強(qiáng)電場(chǎng)，其可能達(dá)到100,000V/cm。該強(qiáng)電場(chǎng)可以有 助于該兩層內(nèi)的材料相互作用，并在施加一個(gè)能量時(shí)(例如由寫入信號(hào)引 起的散發(fā)的熱能)結(jié)合在一起。通過比較，當(dāng)層比較厚時(shí)，在層的大部分 橫截面內(nèi)的電場(chǎng)是可以忽略的，且無助于兩層內(nèi)的材料相互作用。相同的原理可以適用于三層或更多材料薄層的相互作用或結(jié)合。對(duì)半導(dǎo)體而言，"(等式1中)大約是1017到1019，其平方根大約 是3><108到3><109， r在室溫下大約是300。K，所以Debye長(zhǎng)度大約是10到 100nm。對(duì)金屬而言，"大約是1021到1023，從而Debve長(zhǎng)度大約是1到10nm。例如，鋁的Debye長(zhǎng)度在室溫下小于lnm，在700°K時(shí)大約是2nm。 摻有雜質(zhì)的鍺的Debye長(zhǎng)度在室溫下大約是30nm到80nm，取決于雜質(zhì)含具有薄層的可記錄層的一個(gè)特征是大電場(chǎng)能夠有助于吸熱反應(yīng)，其 在反應(yīng)期間不釋放熱量。僅需要一個(gè)小面積功率密度(watts/m2)就可以使 兩層結(jié)合。被記錄的標(biāo)志非常清晰-只有電流通過的而產(chǎn)生的熱能高于一 個(gè)吸收閾值容積功率密度，也高于一個(gè)吸收閾值容積能量密度(例如具有 足夠功率値和足夠的高功率持續(xù)時(shí)間)的兩層的部分才能結(jié)合在一起。使用薄層的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是需要較少能量來使薄層結(jié)合在一起。對(duì)一個(gè) 給定的寫入速度，寫入信號(hào)可以有一個(gè)較低的電壓(例如，與閃存的寫入 電壓相比)。對(duì)一個(gè)具有指定電壓的給定寫入信號(hào)，寫入信號(hào)的更短時(shí)間可 以被用于寫入到每個(gè)存儲(chǔ)單元，導(dǎo)致一個(gè)較快的寫入速度。使用薄層的另 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是需要較少材料來制作薄層，從而降低材料成本和涂敷或沉積的 處理成本。當(dāng)使用昂貴材料來制作薄層時(shí)，如金或銀，大量存儲(chǔ)設(shè)備的制 造成本可以顯著節(jié)省。當(dāng)有一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，有一個(gè)電勢(shì)穿過界面，所以少量電能就可以使 分子移動(dòng)穿過界面(從高電勢(shì)區(qū)域到低電勢(shì)區(qū)域)，導(dǎo)致兩層的材料結(jié)合在 一起。兩個(gè)薄層的結(jié)合可以通過各種版本的方法而實(shí)現(xiàn)，例如，沒有限制、 混合、邊界模糊、合金化、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、或引起物質(zhì)傳遞越過邊界的 場(chǎng)。在兩層或多個(gè)層之間的反應(yīng)可以是吸熱性的或散熱性的。
4.設(shè)計(jì)和制作存儲(chǔ)器件可記錄層110或其子層的材料和厚度的選擇可以基于事先建立的數(shù) 據(jù)庫(kù)信息。通過測(cè)量各種薄層或各種材料薄層結(jié)合物的電特性，可以建立 數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)可以包括在施加初始化信號(hào)之前和之后，以及在施加不 同寫入信號(hào)之前和之后，(1)在不同厚度上的單層材料的，以及(2)不同 厚度的各種材料結(jié)合物的，單位面積電阻以及類似二極管特征的信息。為 了獲得在初始沉積狀態(tài)、初始化狀態(tài)和記入狀態(tài)上的預(yù)期電阻對(duì)比，而選 擇層的材料和厚度
可以使用多種制造方法來制作可記錄層110的薄的子層。例如，通 過物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體化學(xué)氣相淀積
(PECVD)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)， 每個(gè)層可以在前一層的上面形成。使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝，可以制作可記 錄電存儲(chǔ)器件100。由于薄膜存儲(chǔ)器件100的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，使用2-金屬、1-聚化物(poly)工藝，可以制作存儲(chǔ)器件100。
5.系統(tǒng)構(gòu)造圖12是一個(gè)包括芯片270的存儲(chǔ)元件290的模塊圖，其有一個(gè)存 儲(chǔ)控制器292和多個(gè)存儲(chǔ)陣列296。每個(gè)存儲(chǔ)陣列296可以類似于具有存 儲(chǔ)單元120 (圖2A、 5D、 7F、 8和10)的存儲(chǔ)器件100 (圖1A)。存儲(chǔ)控 制器292通過總線294控制存儲(chǔ)陣列296。存儲(chǔ)控制器292通過接口 298 也與主機(jī)元件(未顯示)相互作用，如計(jì)算機(jī)或數(shù)碼相機(jī)。存儲(chǔ)元件290 可以遵守接口標(biāo)準(zhǔn)如通用串行總線或IEEE 1394 (火線)標(biāo)準(zhǔn)。存儲(chǔ)元件 290可以被制成存儲(chǔ)卡，并部分遵守如CF (CompactFlash)卡、SD (Secure Digital)卡、MS (Memory Stick)或XD存儲(chǔ)卡標(biāo)準(zhǔn)的編碼/解碼。存儲(chǔ)元 件290是一個(gè)只可寫入一次的設(shè)備，而不是一個(gè)可重復(fù)寫入的設(shè)備。存儲(chǔ) 設(shè)備290不一定必須遵守以上所列標(biāo)準(zhǔn)的讀取/寫入電壓。存儲(chǔ)控制器292可以在兼容現(xiàn)有閃存元件的方式下運(yùn)作。在一些例 子里，存儲(chǔ)控制器292兼容NOR閃存結(jié)構(gòu)，并一次一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字地 寫入數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)陣列296。在一些例子里，存儲(chǔ)控制器292兼容NAND閃 存結(jié)構(gòu)，其以一個(gè)預(yù)定長(zhǎng)度的存儲(chǔ)字串依次讀取/寫入數(shù)據(jù)，但可以隨機(jī)地 存取將被讀取或?qū)懭氲淖执?。參照?qǐng)D13，存儲(chǔ)控制器292包括一個(gè)輸入/輸出接口 300，其接收命 令并寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)腳位(datapin)，和輸出讀取的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)腳位(data pin)。命令被發(fā)送到寫控制器302，其控制數(shù)據(jù)怎樣被寫入到存儲(chǔ)陣列296 或怎樣從存儲(chǔ)陣列296讀取數(shù)據(jù)。寫控制器302控制地址解碼器304，其從地址腳位(address pin)接收將被訪問的存儲(chǔ)單元的地址。地址解碼器 304分別發(fā)送行和列信息到行解碼器306和列解碼器308，其確定激活哪個(gè) 字線和位線去訪問具體的存儲(chǔ)單元。寫入數(shù)據(jù)緩沖器314存儲(chǔ)即將被寫入 到存儲(chǔ)陣列296的數(shù)據(jù)。感應(yīng)放大器310放大從存儲(chǔ)陣列296讀取的信號(hào) (讀取的數(shù)據(jù))。列多路復(fù)用器312在存儲(chǔ)陣列296的位線上多路傳送寫入 數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)。例如， 一旦接收到初始化命令，存儲(chǔ)控制器292可以發(fā)送一個(gè)IV 電壓的初始化信號(hào)到存儲(chǔ)陣列296內(nèi)的所有存儲(chǔ)單元120，用來初始化存 儲(chǔ)單元120。以后， 一旦接收到寫入命令，存儲(chǔ)控制器292可以發(fā)送一個(gè) 寫入信號(hào)到具體的存儲(chǔ)單元，用來寫入數(shù)據(jù)到該單元內(nèi)。寫入信號(hào)可以有 一個(gè)大于2V的電壓，且可以有一個(gè)包括一個(gè)或多個(gè)脈沖的脈沖波形。寫 入信號(hào)的電壓値取決于存儲(chǔ)單元的類型(如存儲(chǔ)單元是否被設(shè)置成存儲(chǔ)二 進(jìn)制、三進(jìn)制、四進(jìn)制數(shù)據(jù))，以及將被寫入到存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)(如是否在 能夠存儲(chǔ)四進(jìn)制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元內(nèi)寫入"1"、 "2"、 "3"和"4")。 一旦接 收到讀取信號(hào)，存儲(chǔ)控制器292可以發(fā)送一個(gè)例如10到500mV電壓的讀 取信號(hào)到具體的存儲(chǔ)單元，通過測(cè)量電流并對(duì)比測(cè)量的電流和預(yù)定參考值， 從單元內(nèi)讀取數(shù)據(jù)。在一些例子里，存儲(chǔ)控制器292可以轉(zhuǎn)換虛擬存儲(chǔ)地址和物理存儲(chǔ) 地址。主機(jī)元件發(fā)送虛擬存儲(chǔ)地址到存儲(chǔ)控制器292。存儲(chǔ)控制器292轉(zhuǎn) 換虛擬地址到物理地址，并依照物理地址訪問存儲(chǔ)單元。使用以下所述的 過程，存儲(chǔ)元件290可以在工廠進(jìn)行測(cè)試而找出缺陷，缺陷單元的地址可 以被存儲(chǔ)在一個(gè)表格內(nèi)。當(dāng)主機(jī)元件寫入到存儲(chǔ)元件2卯時(shí)，存儲(chǔ)控制器 292會(huì)避免使用缺陷單元，而僅僅寫入到可用的存儲(chǔ)單元。在一些例子里，當(dāng)主機(jī)控制器發(fā)送一個(gè)擦除命令來擦除在某個(gè)虛擬 地址上的數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)控制器292可以標(biāo)記對(duì)應(yīng)的物理地址為"已擦除"， 從而不可以提取在這些物理地址上的數(shù)據(jù)。當(dāng)主機(jī)元f^發(fā)送一個(gè)寫入命令 來寫入到一個(gè)之前已經(jīng)擦除的虛擬地址時(shí)，存儲(chǔ)控制器292將虛擬地址轉(zhuǎn) 化成一個(gè)不同的物理地址，并寫入到新的物理地址。這樣，即使存儲(chǔ)單元 是僅可一次寫入的，且不能被物理擦除，對(duì)主機(jī)元件來說，存儲(chǔ)元件290看上去像存儲(chǔ)單元可以被有限次擦除。在制作和封裝存儲(chǔ)元件290之后，依照以下過程可以測(cè)試存儲(chǔ)陣列 296的存儲(chǔ)單元120。步驟l:檢査每個(gè)字線140的柵電晶體，以確定是否有缺陷。如果 某個(gè)字線140的電柵晶體有缺陷，使用該字線140的存儲(chǔ)單元120不可以 用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)使用存儲(chǔ)元f牛290時(shí)，對(duì)與該有缺陷的字線140相關(guān)的 任何存儲(chǔ)單元120，都不能執(zhí)行記入或讀取操作。該字線140有缺陷被記 錄在一個(gè)表格內(nèi)(其可以位于存儲(chǔ)陣列296的一個(gè)區(qū)域上，專門用來記錄 缺陷)。在測(cè)試元件290期間，有關(guān)有缺陷的字線140或存儲(chǔ)單元120的信 息可以首先被存儲(chǔ)在用于測(cè)試該元件290的主機(jī)元件(如計(jì)算機(jī))的存儲(chǔ) 器內(nèi)。當(dāng)初始化該元件290的存儲(chǔ)單元120時(shí)，有關(guān)有缺陷的組成部分的 信息被寫入到此表格。步驟2:檢查每個(gè)位(數(shù)據(jù))線130的柵電晶體，以確定是否有缺 陷。如果一個(gè)位線130的柵電晶體有缺陷，使用該位線130的存儲(chǔ)單元不 能被用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)使用元件290時(shí)，對(duì)與有缺陷的位線130相關(guān)的任 何存儲(chǔ)單元120,都不能執(zhí)行記入和讀取操作。在表格內(nèi)該位線130被記 錄為有缺陷的。步驟3:通過施加一個(gè)讀取信號(hào)，檢查由通過步驟1和2測(cè)試的兩 個(gè)柵電晶體定址的每個(gè)存儲(chǔ)單元120。每個(gè)存儲(chǔ)單元120在初始沉積狀態(tài) 上應(yīng)該有一個(gè)低電阻。如果一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)單元120有一個(gè)高于預(yù)定閾值 的電阻，那么這個(gè)存儲(chǔ)單元120是有缺陷的，且該有缺陷的存儲(chǔ)單元120 的地址被記錄在表格內(nèi)。步驟4: 一個(gè)或一系列具有預(yù)定電壓《直的脈沖的初始化信號(hào)被施加 到通過步驟1到3測(cè)試的每個(gè)存儲(chǔ)單元120。初始化信號(hào)使存儲(chǔ)單元120 進(jìn)入初始化狀態(tài)，并具有類似二極管的電流-電壓特征。 一個(gè)讀取信號(hào)被施加到每個(gè)初始化存儲(chǔ)單元120，以確定此單元的電阻。 一個(gè)存儲(chǔ)單元在初 始化狀態(tài)上應(yīng)該有一個(gè)高電阻。如果一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)單元120有一個(gè)低于 預(yù)定閾值的電阻，該存儲(chǔ)單元120被標(biāo)記為有缺陷。在步驟1到4內(nèi)的測(cè)試被執(zhí)行之后，統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)元《牛290內(nèi)的缺陷存 儲(chǔ)單元120的數(shù)目，以確定該存儲(chǔ)元件290是否適合以某個(gè)等級(jí)出售或應(yīng) 該被丟棄。參照?qǐng)D14，可記錄電存儲(chǔ)元件100可以作為微控制器單元320的非 易失性可記錄(NVR)存儲(chǔ)器322而使用。微控制器單元320也包括一個(gè) 中央處理單元324和一個(gè)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM) 326。非易失性存儲(chǔ)器 322在永久寫入程序到存儲(chǔ)器322之前，允許用戶定制程序(例如獲得最 新版本的固件(firmware))。在運(yùn)行時(shí)，從非易失性存儲(chǔ)器322載入程序， 并存儲(chǔ)在RAM 326內(nèi)，以允許快速存取程序代碼。微控制器單元320包 括外圍模塊328，用來處理來自輸入/輸出端口 330的信號(hào)。單元320包括 一個(gè)芯片集成模塊(CIM) 334和支持模塊POR、 LVI和OSC。各個(gè)模塊 通過總線332與另一個(gè)模塊進(jìn)行通信。盡管非易失性存儲(chǔ)器322的每個(gè)存儲(chǔ)單元僅能夠被燒錄 (programmed) —次，非易失性存儲(chǔ)器322可以被制成，具有一個(gè)比存儲(chǔ) 一個(gè)版本固件所需容量大幾倍的容量。當(dāng)固件需要被升級(jí)時(shí)，新版本固件 被寫入到非易失性存儲(chǔ)器322的不同部分。這樣，非易失性存儲(chǔ)器322可 以被燒錄有限次，用來存儲(chǔ)多個(gè)固件版本，每次每個(gè)固件版本被寫入到存 儲(chǔ)器322的不同部分。
6.可記錄層的例子準(zhǔn)備一些可記錄電存儲(chǔ)元件的樣本，并測(cè)量它們?cè)诔跏蓟陀浫胫?前和之后的電特性。每個(gè)可記錄電存儲(chǔ)元件包括一個(gè)可記錄層，其具有一 個(gè)或多個(gè)薄半導(dǎo)體層，它們被夾在兩個(gè)金屬電極之間。其中一個(gè)存儲(chǔ)元件 樣本被設(shè)置成有一個(gè)記入狀態(tài)。其中兩個(gè)存儲(chǔ)元件的樣本被設(shè)置成有四個(gè) 記入狀態(tài)。
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圖15是準(zhǔn)備好的可記錄電存儲(chǔ)元件340的結(jié)構(gòu)示意圖?？捎涗涬?存儲(chǔ)元件340包括一個(gè)可記錄層342，位于金屬電極344和346兩個(gè)層之 間。金屬層344、 346和可記錄層342被沉積在一個(gè)玻璃基片348上。金接 觸點(diǎn)350和352分別沉積在金屬層344和346上，以提供足夠大的探測(cè)面 積，并在金屬層和被用來測(cè)量存儲(chǔ)元件340的電特性的探針之間提供良好 的歐姆接觸。
在一個(gè)樣本里，存儲(chǔ)元f牛340被設(shè)置成有一個(gè)記入狀態(tài)。可記錄層 342包括間隔隔開的材料島，以允許部分金屬層346接觸到金屬層344?？?記錄層342是由p-型硅制成，厚度大約是3nm。金屬層344和346是由鋁 制成，各自的厚度大約是250nm。
使用以下的工藝過程，可以制作可記錄電存儲(chǔ)器340。在沉積薄膜 之前，使用超聲波清潔機(jī)，清潔玻璃基片348，并浸泡在丙酮或乙醇里幾 分鐘。配備有兩個(gè)DC (直流)陰極和一個(gè)RF (射頻)陰極的模組單磁盤 濺射系統(tǒng)"Trio CUBE" (Balzers)，(可從Unaxis、 Balzers、 Likenstain獲 得)可以用來沉積層。主腔室和處理腔室的基準(zhǔn)壓力維持在l(T7mbar之下。 在薄膜沉積期間，處理腔室里的操作壓力被設(shè)置在10-3mbar到10々mbar范 圍內(nèi)。當(dāng)沉積層時(shí)，通過控制濺射時(shí)間來控制層的厚度。基于材料的濺射 場(chǎng)、濺射時(shí)間(通常從1到20秒)以及用于層的濺射功率密度(通常4 到15W/cm2)，可以測(cè)量和估計(jì)每個(gè)薄層的厚度。
該樣本有一個(gè)32x24mn^的總體尺寸。在兩個(gè)金屬層344和346之 間的面積大約是83mm2。
圖16A和16B是曲線圖，顯示被設(shè)置具有一個(gè)記入狀態(tài)的可記錄 電存儲(chǔ)器340的樣本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，對(duì)在-1.8V到1.8V之間的電 壓，可記錄電存儲(chǔ)器340在初始沉積狀態(tài)上有類似電阻器的電流-電壓特 征，在初始化狀態(tài)上有類似二極管的電流-電壓特征，以及在記入狀態(tài)上有 類似電阻器的電流-電壓特征。「01761圖16A是曲線圖360，顯示曲線362和364，分別代表在初始沉積40狀態(tài)和初始化狀態(tài)上存儲(chǔ)元件340的電流-電壓特征。圖16B是曲線圖370， 顯示曲線364和曲線366,曲線366代表在記入狀態(tài)上存儲(chǔ)元件340的電 流-電壓特征。測(cè)量值是在-1.8V到1.8V的電壓之間獲得。
曲線362顯示，在初始沉積狀態(tài)，流經(jīng)存儲(chǔ)設(shè)備340的電流大約與 施加電壓呈線性比例，電阻很小，大約是2.3Q。曲線364顯示，在初始化 狀態(tài)，流經(jīng)存儲(chǔ)元件340的電流剛開始較小，但隨后逐漸增大。當(dāng)電壓低 于1V時(shí)，電流小于50mA,當(dāng)電壓大于1.7V時(shí)，電流顯著增大。這類似 于一個(gè)具有大約1.7V閾值電壓的二極管的電流-電壓特征。
曲線366顯示，在記入狀態(tài)，流經(jīng)存儲(chǔ)元f牛340的電流大約與施加 電壓呈線性比例，電阻稍微高于在初始沉積狀態(tài)上的電阻。在記入狀態(tài)上 的電阻大概是2.7Q (其中樣本有一個(gè)83m^的面積)。
圖17A和17B分別是曲線圖380和390，其顯示被設(shè)置成有三個(gè)記 入狀態(tài)的可記錄電存儲(chǔ)元件340的兩個(gè)樣本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？捎涗泴?42有 子層A、 B和C，類似于在圖5E中顯示的那些。可記錄層342的子層A、 B和C是由p類型鍺制成，并分別有28nm、 5nm和7nm的厚度。數(shù)據(jù)顯 示，對(duì)在-0.5V和0.5V之間的電壓，可記錄電存儲(chǔ)器340有一個(gè)高電阻的 初始化狀態(tài)，以及三個(gè)不同的記入狀態(tài)，其中每個(gè)記入狀態(tài)有類似電阻器 的電流-電壓特征。記入狀態(tài)比初始狀態(tài)有更小的電阻。由于沉積設(shè)備的公 差，在圖17A和17B的兩個(gè)樣本之間的差別可能是因?yàn)樵谧訉雍穸壬系牟?異。7.備選的記錄結(jié)構(gòu)
在以上例子里，通?？捎涗涬姶鎯?chǔ)元件有一個(gè)可記錄層?？蛇x地， 可記錄電存儲(chǔ)元fHfe可以有兩個(gè)或多個(gè)可記錄層，每個(gè)可記錄層包括一個(gè) 或多個(gè)薄子層。額外的可記錄層允許存儲(chǔ)元f^有更大的存儲(chǔ)容量。
圖18是一個(gè)包括第一層402和第二層404的雙層可記錄電存儲(chǔ)元 件400的截面結(jié)構(gòu)圖。第一層402包括字線140a、可記錄層110a、和位線 130a?？捎涗泴?10a可以包括一個(gè)或多個(gè)子層，并可以被設(shè)置成具有一或多個(gè)記入狀態(tài)。可記錄層110a可以是一個(gè)連續(xù)層，其跨域幾個(gè)存儲(chǔ)單元， 或被局限于每個(gè)存儲(chǔ)單元。 一層絕緣材料105a填充在位線130a之間的空 位。
類似于第一層402，第二層404包括字線140b、可記錄層llOb、和 位線130b?？捎涗泴?10b可以包括一個(gè)或多個(gè)子層，并可以被設(shè)置成具 有一個(gè)或多個(gè)記入狀態(tài)?？捎涗泴?10b可以是一個(gè)連續(xù)層，其跨越幾個(gè)存 儲(chǔ)單元，或被局限于每個(gè)存儲(chǔ)單元。 一層絕緣材料150b填充在位線130b 之間的空位，同時(shí)也作為第一層402和第二層404之間的一個(gè)緩沖層。
在一些例子里，可記錄層110a可以被設(shè)置成與可記錄層110b有相 同的記入狀態(tài)數(shù)目。在一些例子里，可記錄層llOa可以被設(shè)置成與可記錄 層llOb有不同數(shù)目的記入狀態(tài)。例如，第一可記錄層llOa可以有一個(gè)記 入狀態(tài)，而第二可記錄層110b可以有四個(gè)記入狀態(tài)?？捎涗泴?10a可以 提供具有較低數(shù)據(jù)密度的較快讀取/寫入速度，因?yàn)楦?shù)目的記入狀態(tài)允 許更高的錯(cuò)誤范圍?？捎涗泴?10b可以提供具有較高數(shù)據(jù)密度的較低讀取 /寫入速度，因?yàn)楦髷?shù)目的記入狀態(tài)允許更小的錯(cuò)誤范圍。
在一些例子里，如果不能同時(shí)訪問在第一層402和第二層404內(nèi)的 存儲(chǔ)單元，那么可以合并第一層310a的字線140a和第二層310b的位線 130b。同一個(gè)字線140a可以被用來在不同時(shí)間上發(fā)送寫入和讀取信號(hào)到第 一層402或第二層404內(nèi)的存儲(chǔ)單元。
第一層402和第二層404各自在類似存儲(chǔ)元件100的運(yùn)作方式上運(yùn) 作，其中存儲(chǔ)單元在初始沉積狀態(tài)上有類似電阻器的I-V特征，在初始化 狀態(tài)上有類似二極管的I-V特征，并在記入狀態(tài)上有類似電阻器的I-V特 征。
類似于制造存儲(chǔ)元件100的過程，可以使用多種制造方法以制作存 儲(chǔ)元件400的可記錄層。例如，通過物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積 (CVD)、等離子體化學(xué)氣相淀積(PECVD)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)或分子束外延(MBE)，每個(gè)層可以在前一層的上面形成。8.額外的其它例子
本發(fā)明已經(jīng)描述了很多例子。然而，應(yīng)該明白可以做出各種修改， 而不會(huì)影響本發(fā)明的精神和范圍。例如，可記錄層iio和其子層可以有不 同于以上所述的材料和厚度?？捎涗泴涌梢允褂貌煌谝陨纤龅姆椒ǘ?制成。在圖10內(nèi)，可記錄層110不是覆蓋整個(gè)芯片區(qū)，而是使用一個(gè)額外 的光掩模來對(duì)可記錄層110形成圖案，所以層110僅覆蓋REME區(qū)272或 部分REME區(qū)272。在圖18內(nèi)，存儲(chǔ)元件400可以包括三個(gè)或多個(gè)層， 類似于層402和404。在圖2A內(nèi)，填充可記錄層110的孔位156的金屬材 料不一定與上和下電極154和152相同。例如，可記錄層IIO在下電極12 上方形成之后，沉積第一金屬以填充孔位156，再沉積第二金屬以形成上 電極154。
存儲(chǔ)元f^可以是一個(gè)具有接口和/或物理尺寸、遵守各種存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)， 如閃存標(biāo)準(zhǔn)，的存儲(chǔ)卡。存儲(chǔ)元件也可以有任意形狀。存儲(chǔ)元件不一定是 扁平的，可以是，例如符合立方體、球體或任何其它任意體積的表面輪廓。 存儲(chǔ)控制器可以有不同的構(gòu)造，使得寫入和讀取數(shù)據(jù)的過程不同于以上所 述的那些過程?？捎涗涬姶鎯?chǔ)元件可以被集成到不同于以上所述的系統(tǒng)里。
如圖5A到5E和7A到7F所示的定位調(diào)整移動(dòng)技術(shù)可以有各種方 式的改變，例如改變光掩模190被移動(dòng)的不同位置數(shù)目和移動(dòng)方向?？梢?制作每個(gè)具有如3、 5、 6、 7、 8、 IO或更多子單元的存儲(chǔ)單元。例如，圖 7D內(nèi)所示的存儲(chǔ)單元包括6個(gè)子單元。[Ol卯]例如可以使用磁性或光學(xué)方法，電子寫入并讀取可記錄電存儲(chǔ)元 件。例如，不施加電子脈沖到選擇的存儲(chǔ)單元以寫入記號(hào)在單元內(nèi)，而是 使用光束來施加能量到選擇的存儲(chǔ)單元以寫入記號(hào)。在記號(hào)被寫入之后， 一個(gè)電讀取信號(hào)被施加到存儲(chǔ)單元來檢測(cè)電特性的對(duì)比，如電阻，以讀取 存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元內(nèi)的信息。讀取和寫入電壓可以是正的或負(fù)的。
其它實(shí)施在以下權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種方法，包括制作一種存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元，包括在基片上形成第一電極；在相對(duì)基片的第一位置上放置光掩模；根據(jù)光掩模上的圖案，在第一電極上形成第一材料層；在相對(duì)基板的第二位置上放置光掩模；根據(jù)光掩模上的圖案，在第一材料層上方形成第二材料層，第二材料層與第一材料層有個(gè)偏移量，從而存儲(chǔ)單元的第一子單元包括第一材料層，但不包括第二材料層，而存儲(chǔ)單元的第二子單元包括第一和第二材料層；和在第一和第二材料層上方形成第二電極，并重疊第一電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在第三位置上放置光掩模，根 據(jù)光掩模上的圖案在第一和第二材料層上方形成第三材料層，第三材料層 處于第一電極和第二電極之間，第三材料層與第一和第二材料層有偏移， 從而存儲(chǔ)單元至少包括第一子單元、第二子單元和第三子單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中第三子單元包括第一和第三材料 層，但不包括第二材料層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括形成包含第一、第二和第三材 料層的第四子單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括在第四位置上放置光掩模，根 據(jù)光掩模上的圖案在第一、第二和第三材料層上方形成第四材料層，第四 層位于第一電極和第二電極之間，第四材料層與第一、第二和第三材料層 有偏移，從而存儲(chǔ)單元至少包括第一子單元、第二子單元、第三子單元和 第四子單元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，包括在第五位置上放置光掩模，根 據(jù)光掩模上的圖案在第一、第二、第三、和第四材料層上形成第五材料層， 第五材料層與第一、第二、第三、和第四材料層有偏移，從而存儲(chǔ)單元至 少包括第一子單元、第二子單元、第三子單元、第四子單元和第五子單元。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在第二位置上放置光掩模包括從第一位置移動(dòng)光掩模一個(gè)距離到第二位置，其中該距離小于光掩模的最小 線寬。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成第一層包括形成一個(gè)具有孔 口的材料層，此孔口允許部分第一 電極電接觸到部分第二電極。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成第一材料層包括形成一個(gè)半 導(dǎo)體層或一個(gè)絕緣材料層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括形成施加寫入信號(hào)到存儲(chǔ)單元的電路。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括形成從存儲(chǔ)單元輸出讀取信號(hào) 的電路。
12. —種方法，包括制作一個(gè)具有存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)元件，每個(gè)存儲(chǔ)單元至少有兩個(gè)子單元， 包括在兩個(gè)或多個(gè)位置上放置光掩模，光掩模有一個(gè)預(yù)定圖案，和對(duì)光掩模的每個(gè)位置，根據(jù)光掩模的預(yù)定圖案至少形成一個(gè)材料 層，使不同子單元有不同的材料層或不同材料層的組合。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法， 放置光掩模以形成四個(gè)子單元。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法， 放置光掩模以形成九個(gè)子單元。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法， 材料層的一部分重疊。其中制作子單元包括在三個(gè)位置上其中制作子單元包括在五個(gè)位置上 其中每個(gè)材料層有一部分與另一個(gè)
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中制作子單元包括在下電極上 方沉積第一層，調(diào)整光掩模的定位，在第一層上方沉積第二層，其中第一 子單元包括第一層，但不包括第二層，第二子單元包括第一和第二層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中制作子單元包括在下電極上 方沉積第一層，蝕刻第一層，調(diào)整光掩模的定位，在第一層和下電極的露 出部分上方沉積第二層，蝕刻第二層，其中第一子單元包括第二層，但不 包括第一層，第二子單元包括第一和第二層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在兩個(gè)或多個(gè)位置上放置光掩模包括在第一位置和第二位置上放置光掩模，第二位置離第一位置有一段距離，此距離小于光掩模的最小線寬。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中對(duì)光掩模的每個(gè)位置至少形成一個(gè)材料層包括形成一個(gè)具有孔口的材料層，此孔口允許部分第一電極電接觸到部分第二電極。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中至少形成一個(gè)材料層包括至少 形成一個(gè)半導(dǎo)體或絕緣材料層。
21. —種方法，包括使用光刻工藝在基片上制作一種電子元件，包括通過在相對(duì)基片的 一個(gè)位置上放置光掩模來定義該電子元件組件的邊界，當(dāng)定義不同組件的 邊界時(shí)根據(jù)步驟順序來移動(dòng)光掩模的對(duì)準(zhǔn)位置，其中在步驟順序期間的最 小移動(dòng)距離小于此電子元f^的最小線寬。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，包括當(dāng)依照形成材料層的步驟順 序來移動(dòng)光掩模而形成材料層，材料層相互有偏移，以形成具有不同層或 不同層組合的組件。
全文摘要
通過在基片上形成第一電極、在相對(duì)基片的第一位置上放置光掩模、以及基于光掩模上的圖案在第一電極上形成第一材料層，制作一種存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元。在相對(duì)基片的第二位置上放置光掩模，并基于光掩模上的圖案在第一材料層上方形成第二材料層，第二材料層與第一材料層有偏移，從而存儲(chǔ)單元的第一子單元包括第一材料層，但不包括第二材料層，并且存儲(chǔ)單元的第二子單元包括第一和第二材料層。第二電極是在第一和第二材料層上方形成。
文檔編號(hào)H01L27/10GK101506942SQ200780004481
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2007年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月22日
發(fā)明者徐文泰 申請(qǐng)人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司