專利名稱：阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件及其制造和操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存儲(chǔ)器件，具體涉及阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件(resistiverandom access memory device, RRAM)。本發(fā)明還涉及上述阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件的制造和操作方法。
背景技術(shù)：
目前，微電子工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)著存儲(chǔ)器技術(shù)的不斷進(jìn)步，提高集成密度和降低生產(chǎn)成本是存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)追求的目標(biāo)。非揮發(fā)性存儲(chǔ)器具有在無電源供應(yīng)時(shí)仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)信息的優(yōu)點(diǎn)，在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域具有非常重要的地位。采用阻變材料的新型非揮發(fā)性存儲(chǔ)器具有高速度(< 5ns)、低功耗(< IV)，高存儲(chǔ)密度、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，是下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。這種阻變存儲(chǔ)器一般具有M-I-M(Metal-Insulator-Metal，金屬一絕緣體一金屬)結(jié)構(gòu)，即在兩個(gè)金屬電極之間夾有阻變材料層。阻變材料一般是過渡金屬氧化物，常見的有NiO、TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO等等。阻變材料可以表現(xiàn)出兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，即高阻態(tài)和低阻態(tài)分別對(duì)應(yīng)數(shù)字“0”和“1”。由高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)榫幊袒蛘咧梦?SET)操作，由低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)椴脸蛘邚?fù)位 (RESET)操作。按照其工作方式，可以將阻變存儲(chǔ)器件分為單極和雙極兩種。前者在器件兩端施加單一極性的電壓，利用施加電壓大小不同控制阻變材料的電阻值在高低阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換， 以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和擦除；而后者是利用施加相反極性的電壓控制阻變材料電阻值的轉(zhuǎn)換。雙極阻變存儲(chǔ)器件在翻轉(zhuǎn)速度、器件一致性、可靠性(數(shù)據(jù)保持力、可翻轉(zhuǎn)次數(shù))、可控性等方面的存儲(chǔ)性能比單極阻變存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)性能更好。按照其基本配置，可以將阻變存儲(chǔ)器件分為1T-1R或1D-1R兩種。1T-1R結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)存儲(chǔ)單元由一個(gè)選通晶體管和一個(gè)阻變存儲(chǔ)元件組成。通過控制選通晶體管，可以向指定的存儲(chǔ)單元寫入或擦除數(shù)據(jù)。由于選通晶體管的存在，存儲(chǔ)單元的面積很大部分是浪費(fèi)在晶體管上，這對(duì)于進(jìn)一步提高存儲(chǔ)器集成度造成了嚴(yán)重障礙。1D-1R配置中的每一個(gè)存儲(chǔ)單元由一個(gè)二極管和一個(gè)阻變存儲(chǔ)元件組成。通過控制二極管，向指定的存儲(chǔ)單元寫入或擦除數(shù)據(jù)。由于二極管的面積比晶體管的面積小，1D-1R配置在提高集成度方面更具優(yōu)勢(shì)。然而，由于二極管材料的限制，現(xiàn)有的1D-1R配置的阻變存儲(chǔ)器件只能按照單極方式工作，從而限制了存儲(chǔ)性能的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供可以按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件。本發(fā)明的又一目的是提供一種制造和操作該阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件的方法。
基于金屬半導(dǎo)體接觸原理的肖特基二極管具有受金屬材料和外加偏壓控制的較大的反向電流。因此，本發(fā)明人提出通過選擇正反向電壓偏置下二極管開關(guān)參數(shù)合適的肖特基二極管和雙極阻變存儲(chǔ)器串聯(lián)連接，可以實(shí)現(xiàn)按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件。針對(duì)上述結(jié)構(gòu)的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件，本發(fā)明人提出可行的操作方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件，包括阻變存儲(chǔ)元件，所述阻變存儲(chǔ)元件包括兩個(gè)電極以及夾在兩個(gè)電極之間的阻變材料層，并且具有雙極阻變特性；以及肖特基二極管，所述肖特基二極管包括彼此接觸的金屬層和半導(dǎo)體層，其中，所述肖特基二極管的金屬層與所述阻變存儲(chǔ)元件的一個(gè)電極連接。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件的方法，包括以下步驟a)在襯底上形成多晶硅層；b)在多晶硅層中摻入雜質(zhì)以形成P摻雜多晶硅層；C)對(duì) P摻雜多晶硅層進(jìn)行退火以激活摻雜劑；d)在P摻雜多晶硅層上形成第一金屬層；e)在第一金屬層上形成阻變材料層；f)在阻變材料層上形成第二金屬層；g)對(duì)P摻雜多晶硅層、 第一金屬層、阻變材料層和第二金屬層的疊層進(jìn)行圖案化，以形成彼此分開的多個(gè)阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種操作阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件的方法，其中所述肖特基二極管的半導(dǎo)體層與位線連接，所述阻變存儲(chǔ)元件的另一個(gè)電極與字線連接，所述方法包括在讀操作中，在字線和位線之間施加負(fù)向電壓Vread ；在編程操作中，在字線和位線之間施加正向電壓V+ ；在擦除操作中，在字線和位線之間施加負(fù)向電壓V_ ；其中，VMad、V+、V-滿足以下關(guān)系VSET+Vs < V+< VSET+2Vs+VtVEESET+Vt < V_ < VSET+2Vt+VsVt < Vread < VEESET+Vt其中，Vset, Iset, Veeset是阻變存儲(chǔ)器件的取決阻變材料層的材料的參數(shù)，分別表示使阻變存儲(chǔ)單元從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)的最小電壓、所需要的最小電流和使阻變存儲(chǔ)單元從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)的最小電壓，\和Vt分別表示肖特基二極管的反向接近飽和時(shí)的電壓和二極管的閾值電壓，Is表示二極管的反向飽和電流，其中，通過控制半導(dǎo)體層的摻雜濃度使Is的取值范圍為Iset < Is < 2Iset。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件，從而既可以占用相對(duì)小的芯片面積，如達(dá)到4F2的集成度(F為特征尺寸)，也可以相對(duì)于單極阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件獲得提高的存儲(chǔ)性能，如更快的讀寫速度，更小的擦寫電流，更小的阻值和電壓離散，更長(zhǎng)的保持時(shí)間和更高的可靠性。在該阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件中使用了肖特基二極管，該肖特基二極管具有比一般的二極管更快的速度，從而進(jìn)一步提高了讀寫速度和可靠性。而且，該肖特基二極管具有比一般的二極管更大的電流密度，在編程過程中還可起到限流作用，有利于提高器件的壽命并減小阻值的離散。該肖特基二極管可以通過對(duì)半導(dǎo)體層摻雜的精確控制來獲得期望的反向飽和電流。除此以外，基于鉬硅肖特基二極管的結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝相兼容，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。此外，通過在讀操作、編程操作和擦除操作選擇特定范圍的電壓，可以防止阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件在操作過程中對(duì)鄰近的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件的誤操作。因此，本發(fā)明的阻變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件可以按照高密度集成的方式組成存儲(chǔ)單元的陣列，在每一條位線和每一條字線的交叉點(diǎn)包括一個(gè)存儲(chǔ)單元。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器陣列的示意圖。圖2為圖1所示的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器陣列中的一個(gè)存儲(chǔ)單元的示意圖，包括串聯(lián)連接的一個(gè)阻變存儲(chǔ)元件和一個(gè)肖特基二極管。圖3為圖1所示的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件進(jìn)行編程/擦除操作的示意圖。圖4為圖1所示的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件中的一個(gè)存儲(chǔ)單元的典型I-V曲線。圖5為圖1所示的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件的等效電路圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。在各個(gè)附圖中，相同的元件采用類似的附圖標(biāo)記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個(gè)部分沒有按比例繪制。應(yīng)當(dāng)理解，在描述器件的結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)將一層、一個(gè)區(qū)域稱為位于另一層、另一個(gè)區(qū)域“上”、“上面”或“上方”時(shí)，可以指直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面，或者在其與另一層、 另一個(gè)區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將器件翻轉(zhuǎn)，該一層、一個(gè)區(qū)域?qū)⑽挥诹硪粚印⒘硪粋€(gè)區(qū)域“下”、“下面”或“下方”。如果為了描述直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面的情形，本文將采用“直接在…… 上面”或“在……上面并與之鄰接”的表述方式。在本申請(qǐng)中，術(shù)語“半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)”指在制造半導(dǎo)體器件的各個(gè)步驟中形成的整個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括已經(jīng)形成的所有層或區(qū)域。在下文中描述了本發(fā)明的許多特定的細(xì)節(jié)，例如器件的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、處理工藝和技術(shù)，以便更清楚地理解本發(fā)明。但正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細(xì)節(jié)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。除非在下文中特別指出，半導(dǎo)體器件中的各個(gè)部分可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的材料構(gòu)成。圖1為根據(jù)本發(fā)明的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器陣列的示意圖，其中示出了包括3X3個(gè)存儲(chǔ)單元的陣列。阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器陣列包括字線10和位線11，在字線10和位線11之間，從下至上依次還包括P摻雜多晶硅層14、金屬層(如Pt) 13和阻變材料層12。字線10和位線 11相互垂直布置，每一根字線10與每一根位線11的交叉點(diǎn)形成一個(gè)存儲(chǔ)單元。每一個(gè)存儲(chǔ)單元為1D-1R配置，即包括串聯(lián)連接的一個(gè)阻變存儲(chǔ)元件和一個(gè)肖特基二極管(參見圖幻。肖特基二極管130由ρ摻雜多晶硅層14和金屬層13構(gòu)成。阻變存儲(chǔ)元件120位于肖特基二極管130上方，包括作為上電極的字線10、阻變材料層12、以及作為下電極的金屬層13。金屬層13由肖特基二極管130和阻變存儲(chǔ)元件120共用，并且直接將二者串聯(lián)連接，減小了互連電阻，從而減小了對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的需求。代替地，阻變存儲(chǔ)元件120可以具有獨(dú)立的上電極，與字線10由相同的金屬層 (在相同/不同的步驟和/或設(shè)備中)或不同的金屬層(在不同的步驟和/或設(shè)備中)形成。盡管未在圖1和2中示出，然而可以理解，在存儲(chǔ)單元之間(也即，在圖2所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的周圍)可以形成諸如氧化物的絕緣材料以電隔離各個(gè)阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件。圖3為圖1所示的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件進(jìn)行編程/擦除操作的示意圖。在存儲(chǔ)單元工作時(shí)，例如在一條字線WL2上施加電壓V，在一條位線BL2上加OV的電壓，并且其它的字線WLtl-WL1JL3-WL4和位線BLci-BLpBL3-BL4斷開。施加電壓的字線WL2和位線BL2的交叉點(diǎn)處的存儲(chǔ)單元就被選中。由于二極管的存在，其它的字線和位線的交叉點(diǎn)處的存儲(chǔ)單元的電路徑都被阻斷，因此都不會(huì)被選中。圖4為圖1所示的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件中的一個(gè)存儲(chǔ)單元的典型I-V曲線。施加電壓V的大小和極性決定了存儲(chǔ)器的讀寫狀態(tài)。與圖2中的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，肖特基二極管在負(fù)電壓下導(dǎo)通，正電壓下截止。在編程操作中，當(dāng)阻變材料層兩端的電壓超過Vset時(shí)，存儲(chǔ)單元就處于低阻態(tài)。然而，由于反向二極管的存在，實(shí)際施加在字線上的電壓V更大，大約為1. 5 2倍的VSET。除此以外，為了保證阻變材料層能夠從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變到低阻態(tài)，肖特基二極管在Vset電壓附近的反向電流要大于阻變存儲(chǔ)元件高阻態(tài)的電流，這就要求肖特基二極管必須能夠提供足夠大的反向電流。在擦除操作中，當(dāng)阻變材料層兩端的電壓達(dá)到-Vkeset時(shí)，存儲(chǔ)單元就處于高阻態(tài)。 由于二極管的正向電阻很小，因此在字線上只要施加比Vkeset略大的負(fù)向電壓即可。在讀取操作中，需要在字線施加一個(gè)較小的負(fù)向電壓Vread，電壓值在二極管的閾值電壓Vt和Vkeset之間，這樣既保證二極管開啟又不會(huì)破壞原來的數(shù)據(jù)。圖5為圖1所示的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件的等效電路圖。當(dāng)一個(gè)存儲(chǔ)單元被選中時(shí)，其它字線和位線處于斷開狀態(tài)。在存儲(chǔ)單元的陣列中實(shí)際上還有其它的電路徑存在。如圖5所示，當(dāng)字線WL1和位線BL1被選中時(shí)，電流除了可以從WL1-Rl-Dl-BL1路徑(以下稱為 “選擇的電路徑”)通過外，還可以從Wj1-I^-DZ-BL2-DS-RS-WL2-IM-DA-BL1路徑(以下稱為 “附加的電路徑”)通過。在大部分情況下，由于D2、D3、D4的存在，在附加的電路徑上的電流很小，可以忽略。然而，在某些情況下，在附加的電路徑上的電流也可能會(huì)產(chǎn)生干擾。為避免干擾的發(fā)生，就需要對(duì)阻變存儲(chǔ)元件和肖特基二極管的電流做適當(dāng)?shù)南拗?。在讀操作中，只有在Rl為高阻態(tài)，R2、R3、R4都是低阻態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)讀干擾，這就要求肖特基二極管的反向電流在Vread附近時(shí)要遠(yuǎn)小于阻變存儲(chǔ)元件低阻態(tài)的電流，這一點(diǎn)一般都會(huì)達(dá)到。在編程操作中，當(dāng)R2(R4)處于高阻態(tài)，R3和R4 (R2)處于低阻態(tài)時(shí)，R2 (R4)可能會(huì)在串聯(lián)了兩個(gè)反偏二極管(D2和D4)的情況下被SET到低阻態(tài)，這也要求肖特基二極管的反向電流不能過大，要與阻變存儲(chǔ)元件的高阻態(tài)電流在同一個(gè)量級(jí)，并且編程操作的電壓不能太大，只要略大于IDlR的臨界電壓即可，這才能保證2D1R的旁路不會(huì)被編程。在擦除操作中，當(dāng)R2和R4處于低阻態(tài)，R3是高阻態(tài)時(shí)，R3可能會(huì)在串聯(lián)了一個(gè)反偏二極管(D3)的情況下被SET到低阻態(tài)，因此擦除操作的電壓要比編程操作的電壓小，或者不能比編程操作的電壓大太多(小于兩個(gè)二極管的閾值電壓)。綜上所述，肖特基二極管的反向電流必須精確設(shè)計(jì)，既要提供足夠的電流以保證編程操作的實(shí)現(xiàn)，又不能使電流過大而導(dǎo)致旁路的開啟。表1總結(jié)了該結(jié)構(gòu)所有的電壓和電流的要求。表2給出了相關(guān)參數(shù)的定義。表 權(quán)利要求
1.一種阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件，包括阻變存儲(chǔ)元件，所述阻變存儲(chǔ)元件包括兩個(gè)電極以及夾在兩個(gè)電極之間的阻變材料層，并且具有雙極阻變特性；以及肖特基二極管，所述肖特基二極管包括彼此接觸的金屬層和半導(dǎo)體層， 其中，所述肖特基二極管的金屬層與所述阻變存儲(chǔ)元件的一個(gè)電極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件，其中所述阻變材料層由選自附0、 TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO構(gòu)成的組中的至少一種材料組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件，其中所述肖特基二極管的所述金屬層的厚度為lO-lOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件，其中所述肖特基二極管的所述半導(dǎo)體層為P摻雜多晶硅層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件，其中所述ρ摻雜多晶硅層中摻入硼， 摻雜濃度為IO13 1018/cm3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件，其中所述ρ摻雜多晶硅層的厚度為 30-500nm。
7.—種制造如利要求1所述的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件的方法，包括以下步驟a)在襯底上形成多晶硅層；b)在多晶硅層中摻入雜質(zhì)以形成P摻雜多晶硅層；c)對(duì)P摻雜多晶硅層進(jìn)行退火以激活摻雜劑；d)在ρ摻雜多晶硅層上形成第一金屬層；e)在第一金屬層上形成阻變材料層；f)在阻變材料層上形成第二金屬層；g)對(duì)P摻雜多晶硅層、第一金屬層、阻變材料層和第二金屬層的疊層進(jìn)行圖案化，以形成彼此分開的多個(gè)阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中在步驟b)中采用的摻雜劑為硼或氟化硼。
9.一種操作如權(quán)利要求1所述的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件的方法，其中所述肖特基二極管的半導(dǎo)體層與位線連接，所述阻變存儲(chǔ)元件的另一個(gè)電極與字線連接，所述方法包括在讀操作中，在字線和位線之間施加負(fù)向電壓；在編程操作中，在字線和位線之間施加正向電壓V+;在擦除操作中，在字線和位線之間施加負(fù)向電壓；其中，VMad、V+、V-滿足以下關(guān)系VSET+Vs < V. < VSET+2Vs+VtVEESET+Vt < ν < VSET+2Vt+VsVt < Vread < VEESET+Vt其中，Vset, ISET、Vkeset是阻變存儲(chǔ)器件的取決阻變材料層的材料的參數(shù)，分別表示使阻變存儲(chǔ)單元從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)的最小電壓、所需要的最小電流和使阻變存儲(chǔ)單元從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)的最小電壓，Vs和Vt分別表示肖特基二極管的反向接近飽和時(shí)的電壓和二極管的閾值電壓，Is表示二極管的反向飽和電流，并且其中，通過控制半導(dǎo)體層的摻雜濃度使Is的取值范圍為Iset < Is < 2Iset。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述肖特基二極管的所述半導(dǎo)體層為P摻雜多晶硅層，摻雜濃度為IO13 IO1Vcm3，使得肖特基二極管的反向飽和電流為IO-IOOuA。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在讀操作中，在字線和位線之間施加負(fù)向電壓，大小為-0. 5V-1V ； 在編程操作中，在字線和位線之間施加正向電壓，大小為2V-5V ； 在擦除操作中，在字線和位線之間施加負(fù)向電壓，大小為-2V-5V。
全文摘要
本申請(qǐng)公開了一種阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件及其制造和操作方法，該阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件包括阻變存儲(chǔ)元件，所述阻變存儲(chǔ)元件包括兩個(gè)電極以及夾在兩個(gè)電極之間的阻變材料層，并且具有雙極阻變特性；以及肖特基二極管，所述肖特基二極管包括彼此接觸的金屬層和半導(dǎo)體層，其中，所述肖特基二極管的金屬層與所述阻變存儲(chǔ)元件的一個(gè)電極連接。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器件。
文檔編號(hào)H01L27/24GK102270654SQ20101019803
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者劉力鋒, 劉曉彥, 孫兵, 康晉鋒, 陳沅沙, 韓汝琦, 高濱 申請(qǐng)人:北京大學(xué)