本公開(kāi)的實(shí)施例總體上涉及在三維非易失性存儲(chǔ)器(nvm)電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(rram)裝置中分布的納米顆粒的集合。

背景技術(shù)：

當(dāng)前有用于在計(jì)算系統(tǒng)中存儲(chǔ)信息的若干不同的存儲(chǔ)器技術(shù)。這些不同的存儲(chǔ)器技術(shù)總體上可以分為兩大類(lèi)，即易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器。易失性存儲(chǔ)器總體上指需要電力以保留所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器類(lèi)型。而另一方面，非易失性存儲(chǔ)器總體上是指不需要電力以保留所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器類(lèi)型。易失性存儲(chǔ)器的類(lèi)型的示例包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)中的某些類(lèi)型，比如動(dòng)態(tài)ram(dram)和靜態(tài)ram(sram)。非易失性存儲(chǔ)器的類(lèi)型的示例包括只讀存儲(chǔ)器(rom)、閃存存儲(chǔ)器，比如nor和nand閃存等等。

近年來(lái)，已經(jīng)有對(duì)具有更高密度(容量)的裝置的需求，其具有每比特相對(duì)較低成本，以用于大容量存儲(chǔ)應(yīng)用之中。當(dāng)前，總體上主導(dǎo)計(jì)算產(chǎn)業(yè)的存儲(chǔ)器技術(shù)是dram和nand閃存；然而，這些存儲(chǔ)器技術(shù)可能無(wú)法滿(mǎn)足下一代計(jì)算系統(tǒng)在當(dāng)前和未來(lái)對(duì)容量的需求。

最近，若干新興的技術(shù)作為下一代存儲(chǔ)器類(lèi)型中的潛在競(jìng)爭(zhēng)者，已經(jīng)引起了越來(lái)越多的關(guān)注。這些新興技術(shù)中的一些包括相變存儲(chǔ)器(pcm)、電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(已知縮寫(xiě)為reram或rram)及其它。rram(其與pcm共有的相似性在于它們都是通過(guò)具有與狀態(tài)相關(guān)的電阻的機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行操作)也是一種總體上使用電阻的變化來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。

這些不同的新興存儲(chǔ)器技術(shù)中的每一種都可能是重要的競(jìng)爭(zhēng)者，其在固態(tài)存儲(chǔ)應(yīng)用中淘汰nor和nand閃存、且在nand閃存情況下淘汰固態(tài)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(ssd)。因此，可能需要提供一種技術(shù)，其可以用于實(shí)現(xiàn)非易失性存儲(chǔ)器中的更高容量，同時(shí)最小化每比特的成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)總體上涉及一種分布在三維nvmrram裝置中的納米顆粒。rram裝置使用可以沉積到高深寬比溝道中的材料，材料具有良好的循環(huán)性能，短的擦和寫(xiě)時(shí)間，以及與cmos兼容的寫(xiě)/擦電壓。rram材料設(shè)置于裝置的兩個(gè)電極之間，并包含分布于絕緣基體內(nèi)的導(dǎo)電納米顆粒。該顆粒低于滲流閾值在空間上分布。

在一個(gè)實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器裝置包括第一電極；第二電極；以及設(shè)置在第一電極和第二電極之間的第一存儲(chǔ)器材料，其中，第一存儲(chǔ)器材料包括絕緣材料，絕緣材料具有分布在絕緣材料內(nèi)的多個(gè)導(dǎo)電納米顆粒，其中，所述納米顆粒以使得大多數(shù)顆粒低于滲流閾值分布的方式在空間上分布，且其中導(dǎo)電納米顆粒選自由以下金屬組成的組：鈀、銠、釕、鉑、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、鋯、釩、及其合金。

在另一個(gè)實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器裝置包括襯底；設(shè)置在襯底上的第一絕緣層；設(shè)置在第一絕緣層上的第一電極層；設(shè)置在第一電極層上的第二絕緣層；設(shè)置在第二絕緣層上的第二電極層；設(shè)置在第二電極層上的第三絕緣層，其中，穿過(guò)第三絕緣層、第二電極層、第二絕緣層、第一電極層和第一絕緣層形成通孔或溝槽，以暴露襯底的部分；存儲(chǔ)器材料層設(shè)置在通孔或溝槽內(nèi)，其中存儲(chǔ)器材料包括絕緣材料，絕緣材料具有分布在絕緣材料中的多個(gè)金屬納米顆粒，其中納米顆粒的大部分低于滲流閾值分布，并且其中金屬納米顆粒選自由以下材料組成的組：鈀、鉑、銠、釕、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、釩、及其合金；以及設(shè)置在該存儲(chǔ)器材料層上的至少一個(gè)上電極。

在另一實(shí)施例中，制造非易失性存儲(chǔ)器裝置的方法包括在第一電極上沉積存儲(chǔ)器材料，其中第一存儲(chǔ)器材料包括絕緣材料，絕緣材料具有分布在絕緣材料內(nèi)的多個(gè)金屬納米顆粒，其中大部分納米顆粒低于滲流閾值分布，并且其中金屬納米顆粒選自由以下金屬組成的組：鈀、鉑、銠、釕、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、釩、及其合金；并且其中沉積包括原子層沉積或化學(xué)氣相沉積；以及在存儲(chǔ)器材料上形成第二電極。

在另一實(shí)施例中，一種三維非易失性存儲(chǔ)器裝置包括與多個(gè)絕緣層相互交替的多個(gè)導(dǎo)電層，其中多個(gè)導(dǎo)電層和多個(gè)絕緣層設(shè)置在襯底上，其中穿過(guò)多個(gè)導(dǎo)電層和多個(gè)絕緣層形成通孔或溝槽，以暴露所述襯底；存儲(chǔ)器材料，存儲(chǔ)器材料沿多個(gè)導(dǎo)電層和多個(gè)絕緣層設(shè)置在通孔或溝槽內(nèi)，其中存儲(chǔ)器材料包括絕緣材料，絕緣材料具有分布在絕緣材料內(nèi)的多個(gè)金屬納米顆粒，其中納米顆粒低于滲流閾值分布，并且其中金屬納米顆粒選自由以下材料組成的組：鈀、鉑、銠、釕、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、釩、及其合金；以及設(shè)置在存儲(chǔ)器材料上的多個(gè)電極。

附圖說(shuō)明

為了便于詳細(xì)地理解本發(fā)明的上述特征，將參考實(shí)施例來(lái)地對(duì)以上簡(jiǎn)要概述的上述本公開(kāi)的內(nèi)容進(jìn)行更具體的描述，其中一些實(shí)施例在附圖中予以圖示。然而，應(yīng)當(dāng)注意，附圖所示僅示出了本公開(kāi)的典型實(shí)施例，因此不應(yīng)被視為對(duì)其范圍的限制，因?yàn)楸竟_(kāi)可以允許其它等同有效的實(shí)施例。

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的存儲(chǔ)器裝置的截面示意圖。

圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的三維存儲(chǔ)器裝置的截面示意圖。

圖3是根據(jù)另一實(shí)施例的三維存儲(chǔ)器裝置的立體示意圖。

圖4是根據(jù)另一實(shí)施例的三維存儲(chǔ)器裝置的立體示意圖。

為了便于理解，在可能的情況下使用了相同的參考數(shù)字，以指代附圖中共同的相同元件。應(yīng)當(dāng)預(yù)期，一個(gè)實(shí)施例中公開(kāi)的要素可以有利地用于其它實(shí)施例中而不需要具體說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

下面參考了本公開(kāi)的實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本公開(kāi)并不限于具體描述的實(shí)施例。相反，下列特征和元件的任何組合，無(wú)論是否涉及不同實(shí)施例，都應(yīng)預(yù)期為實(shí)施和實(shí)踐本公開(kāi)。此外，盡管本公開(kāi)的實(shí)施例與其他可能的解決方案和/或現(xiàn)有技術(shù)相比具有優(yōu)點(diǎn)，但是特定的優(yōu)點(diǎn)是否由給定的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)并不構(gòu)成對(duì)本公開(kāi)的限制。因此，以下的方面、特征、實(shí)施例以及優(yōu)點(diǎn)僅僅是解釋性的，而不應(yīng)被認(rèn)為是所附權(quán)利要求的元件或限制，除非明確地列在(一項(xiàng)或多項(xiàng))權(quán)利要求之中。同樣，所提到的“本發(fā)明”并不應(yīng)理解為對(duì)本文公開(kāi)的任何創(chuàng)造性主題的概括，也不應(yīng)被認(rèn)為是所附權(quán)利要求的元件或限制，除非明確地列在(一項(xiàng)或多項(xiàng))權(quán)利要求之中。

本公開(kāi)總體上涉及一種三維nvmrram裝置中的納米顆?；w。rram裝置使用可以沉積到高深寬比溝道中的材料，材料具有良好的循環(huán)性能，短的擦和寫(xiě)時(shí)間，以及與cmos兼容的寫(xiě)/擦電壓。rram材料設(shè)置于該裝置的兩個(gè)電極之間，并包括分布于絕緣基體內(nèi)的導(dǎo)電納米顆粒。大部分納米顆粒低于滲流閾值分布。

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的存儲(chǔ)器裝置100的截面示意圖。存儲(chǔ)器裝置100包括第一電極102和第二電極104。存儲(chǔ)器材料(如rram材料層106)設(shè)置在電極102和104之間。成核層108、110可以存在于電極102、104以及rram材料層106之間。在一個(gè)實(shí)施例中，電極102、104包含導(dǎo)電材料，比如銅、鈀、銠、釕、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、釩、鉬、鉑、鉭、及其合金。

成核層108、110可由與顆粒114材料相同的材料制成。成核層具有表面形貌，表面形貌在與第一電極界面相垂直的表面上的表面粗糙度大于在與第一電極接觸的表面上的表面粗糙度，或成核層可以在該表面中具有高密度的缺陷。成核層可以是其它材料，其表面能小于顆粒114材料的表面能。

rram材料層106包括絕緣基體112，多個(gè)納米顆粒114設(shè)置于絕緣基體112中。在一個(gè)實(shí)施例中，絕緣基體112包含選自由以下材料組成的組的絕緣材料：siox、sinx、alox、alnx、tinx、tiox、taox、tanx、wox、wnx、zrox、以及hfox、復(fù)合金屬氧化物、復(fù)合氮化物和復(fù)合氮氧化物。納米顆粒114可以包括為金屬單質(zhì)的金屬納米顆粒。金屬單質(zhì)可選自由以下材料組成的組：鈀、銠、釕、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、釩、鉬、鉑、鉭、及其合金。

納米顆粒114的合金可以由兩種金屬元素制成，并且此外含有導(dǎo)電性較低的元素。可作為合金的一部分的那些導(dǎo)電性較低的元素的示例包含硅、鍺、硼、氮、氧。納米顆粒的成分可以是均勻的，也可以是跨納米顆粒在空間上變化的。成分跨納米顆粒的厚度的空間分布可以是規(guī)則的，或是徑向相關(guān)的或非均勻的。納米顆粒在其表面上具有的成分或性質(zhì)可以不同于其內(nèi)部的成分或性質(zhì)。金屬的和/或?qū)щ娦暂^低的元素可以在納米顆粒上形成涂層，其與納米顆粒內(nèi)部的成分不同。納米顆?？梢杂卸喾N幾何形狀，并且形狀可以是不同，且在不同的納米顆粒之間變化。對(duì)于不同的存儲(chǔ)狀態(tài)，接近納米顆粒114的基體可具有高電阻或低電阻。納米顆粒114分布在絕緣基體112內(nèi)，大部分的納米顆粒低于滲流閾值在空間上分布。

滲流閾值是形成滲流網(wǎng)絡(luò)所需的最少顆粒數(shù)，且滲流網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中單元顆粒是隨機(jī)排列而互連的。對(duì)于滲流閾值，閾值是在以隨機(jī)的方式填充納米顆粒位點(diǎn)的情況下，當(dāng)產(chǎn)生從結(jié)構(gòu)(此情況下，層106)的一側(cè)延伸到結(jié)構(gòu)的另一側(cè)的相鄰納米顆粒的連續(xù)路徑時(shí)，可能的納米顆粒位點(diǎn)陣列中的填充有納米顆粒的納米顆粒位點(diǎn)的分?jǐn)?shù)。

本文上述描述針對(duì)的是通常的rram結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)理解，通常的rram結(jié)構(gòu)可適用于比如下述的那些的其它rram裝置。

圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的三維存儲(chǔ)器裝置200的截面示意圖。裝置200包括襯底202以及相互交替的絕緣層204和導(dǎo)電層206。在裝置200操作期間，導(dǎo)電層206將作為電極操作。襯底202可包括任何合適的材料，例如硅、玻璃、塑料或任何合適的半導(dǎo)體材料。此外，應(yīng)當(dāng)理解，襯底202可包括多層，比如cmos襯底。為了便于理解，已經(jīng)示出為單層。

可使用眾所周知的技術(shù)連續(xù)地沉積相互交替的絕緣層204和導(dǎo)電層206，沉積技術(shù)為例如化學(xué)氣相沉積(cvd)、等離子體增強(qiáng)cvd(pecvd)、原子層沉積(ald)、物理氣相沉積(pvd)、電鍍(對(duì)導(dǎo)電層206的情況)、無(wú)電鍍(對(duì)導(dǎo)電層206的情況)或其他合適的沉積技術(shù)?？捎糜诮^緣層204中的合適的材料包括siox、sinx、alox、alnx、tinx、tiox、taox、tanx、wox、wnx、zrox、以及hfox，其中表示成分的x可以是化學(xué)計(jì)量學(xué)的或非化學(xué)計(jì)量學(xué)的。合適的材料包括復(fù)合氧化物和氮化物以及氮氧化物，復(fù)合氧化物和氮化物中除了氧或氮外還含有多于一種元素，氮氧化物含有氧、氮以及一種或多種附加的元素。舉例而言，絕緣基體可以是sioxny，taoxny，tazsiwoxny以及其它多元素系統(tǒng)，其中x、y、z和w表示成分。應(yīng)當(dāng)預(yù)見(jiàn)，cmos結(jié)構(gòu)中典型使用的其它絕緣材料也可以用于絕緣層204。ald和cvd尤其適合將材料沉積在具有高深寬比特征的結(jié)構(gòu)上或結(jié)構(gòu)中，比如用于三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電層206可以包括導(dǎo)電材料，導(dǎo)電材料為比如銅、鈀、銠、釕、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、釩、鉬、鉑、鉭、及其合金。

在相互交替的絕緣層204和導(dǎo)電層206形成之后，可以穿過(guò)其形成通孔或溝槽208以暴露襯底202。之后，可以將rram材料層210沉積在通孔或溝槽208中。在一個(gè)實(shí)施例中，在沉積rram材料層210之前，可以將成核層(未顯示)沉積在通孔或溝槽208中。由于通孔或溝槽208的高深寬比，可以通過(guò)ald來(lái)沉積rram材料層210。在一個(gè)實(shí)施例中，深寬比可以是10∶1或以上，并且可以形成三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的一部分。rram材料層210包括絕緣基體112，絕緣基體112具有其中設(shè)置的多個(gè)納米顆粒114，如上面圖1中所述。在rram材料層210上，形成電極212。電極212可以包括導(dǎo)電材料，導(dǎo)電材料為比如銅、鈀、銠、釕、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、釩、鉑、鉭、及其合金。

圖3是根據(jù)另一實(shí)施例的三維存儲(chǔ)器裝置300的立體示意圖。如圖3所示，溝槽304存在于相互交替的絕緣層204和導(dǎo)電層206內(nèi)。存在電極320，其從溝槽304的頂部延伸到溝槽304底部。應(yīng)當(dāng)預(yù)期，電極302可以沿溝槽304水平地延伸。電極302可以包括導(dǎo)電材料銅、鈀、銠、釕、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、釩、鉑、鉭、及其合金。

圖4是根據(jù)另一實(shí)施例的三維存儲(chǔ)器裝置400的立體示意圖。裝置400包括第一電極402a-402e、第二電極404a-404d以及存儲(chǔ)器元件406。存儲(chǔ)元件406包含絕緣基體112，絕緣基體112具有設(shè)置于其中的多個(gè)納米顆粒114，如上面圖1中所述。

第一電極402a-402e全部設(shè)置在共同的平面上，并且實(shí)質(zhì)上彼此平行地延伸。相反，第二電極404a-404d設(shè)置在與第一電極402a-402e所在的平面不同的平面上。然而，類(lèi)似于第一電極402a-402e，第二電極404a-404d全部設(shè)置在共同的第二平面上，并且實(shí)質(zhì)上彼此平行地延伸。第二電極404a-404d與第一電極402a-402e實(shí)質(zhì)上垂直地延伸。第一電極402a-402e和第二電極404a-404d兩者都可以包括導(dǎo)電材料，導(dǎo)電材料為比如銅、鈀、銠、釕、鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鋯、錫、鉬、鉻、鉭、鉿、釩、鉑、鉭、及其合金。

如圖4所示，存儲(chǔ)元件406與第一電極402a-402e和第二電極404a-404d兩者都實(shí)質(zhì)上垂直。圖4所示的三維布置允許存取單個(gè)存儲(chǔ)器元件406。例如，通過(guò)將電流施加到電極402a和404a，存取一個(gè)獨(dú)特的存儲(chǔ)元件406a。同樣，通過(guò)將電流施加到電極402b和404c，存取存儲(chǔ)元件406b。

本文所描述的三維裝置中所使用的存儲(chǔ)器材料有利于在非易失性存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)更高的容量，同時(shí)最小化每比特的成本。使用具有高電阻和低電阻兩者的材料，允許高存儲(chǔ)器狀態(tài)和低存儲(chǔ)器狀態(tài)。用于絕緣材料的材料、納米顆粒的材料和成分以及納米顆粒成分的空間相關(guān)性，包括在納米顆粒上的任何表面涂層，都影響存儲(chǔ)器材料層的電調(diào)諧。因此，可以定制存儲(chǔ)器材料層以滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。此外，應(yīng)當(dāng)預(yù)見(jiàn)，可以將用于絕緣材料的材料的不同混合、用于納米顆粒的材料、絕緣材料和納米顆粒的空間依賴(lài)性應(yīng)用在相同存儲(chǔ)器材料層中的不同位置，以便實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器裝置內(nèi)的存儲(chǔ)器的定制化。

前述內(nèi)容針對(duì)的是本公開(kāi)的實(shí)施例，可以在不背離其基本范圍的情況下，可以設(shè)想本公開(kāi)的其它的實(shí)施例，以及進(jìn)一步的實(shí)施例，本公開(kāi)的范圍由隨附的權(quán)利要求來(lái)確定。