專利名稱：用于穩(wěn)定復位電流的制造存儲器件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于穩(wěn)定復位電流的制造存儲器件的方法，更具體而言，涉及一種制造存儲器件的方法，其在形成包括具有電阻梯度的氧化層的存儲器件期間通過將電子束照射到氧化層來界定電流路徑從而能夠減小并穩(wěn)定存儲器件的復位電流。
背景技術：
因為半導體存儲器件必須具有高集成度，即單位面積的大量的存儲單元，操作速度必須快且以低功耗操作，已經(jīng)積極地做出了許多研究并且已經(jīng)開發(fā)了各種存儲器件。
一般而言，半導體存儲器件包括連接在電路中的許多存儲單元。在作為典型半導體存儲器件的動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)中，單位存儲單元一般包括一個開關元件和一個電容器。DRAM具有高集成度和高操作速度的優(yōu)點。DRAM具有當電源關閉時所存儲的數(shù)據(jù)全部損失的缺點。
相反，一種非易失存儲器件的典型示例為閃存器件，其中即使當電源關閉時也可以保持存儲的數(shù)據(jù)。閃存器件具有與易失存儲器件不同的非易失特性，但是具有相對DRAM而言的低集成度和低操作速度的缺點。
作為正在廣泛研究和開發(fā)的非易失存儲器件，存在磁隨機存取存儲器(MRAM)、鐵電隨機存取存儲器(FRAM)、相變隨機存取存儲器(PRAM)等等。
MRAM利用隧穿結中磁化方向的改變來存儲數(shù)據(jù)，而FRAM利用鐵電體的極性特性來存儲特性。這些均具有優(yōu)點和缺點，但是具有高集成度、高操作速度，且在低功率操作能力的優(yōu)點，且也向著好的數(shù)據(jù)保持特性研究和開發(fā)。
PRAM利用根據(jù)特定材料的相變的電阻值的變化來存儲數(shù)據(jù)，且包括一個電阻器和一個開關(晶體管)。用于PRAM的電阻器是硫化物(calcogenide)電阻器，且通過控制形成溫度而具有晶體結構或非晶結構。一般而言，因為非晶結構中的電阻比晶體結構的電阻高，存儲器件可以通過該特性制造。當常規(guī)的DRAM工藝被用于制造PRAM時，蝕刻操作是可能的且花費長時間來蝕刻。因此，減少了產率，且增加了產品價格，由此降低了市場競爭性。
電阻隨機存取存儲器(RRAM)一般使用過渡金屬氧化物層作為數(shù)據(jù)存儲層，且利用電阻值依據(jù)施加的電壓改變的特性(電阻變化特性)。圖1A和1B是示出RRAM的典型結構和通過施加的電壓形成于氧化層中的電流路徑的視圖。
參考圖1A和1B，RRAM具有其中在下電極11上形成氧化層12和上電極13的結構。下電極11和上電極13由比如Ir、Ru、Au、或Pt的金屬或其氧化物組成。氧化層12由具有電阻變化(可變電阻)特性的過渡金屬氧化物組成。氧化層12作為數(shù)據(jù)存儲層，且通過經(jīng)由下電極11和上電極13將電壓施加到氧化層12，寫入數(shù)據(jù)或讀取記錄的數(shù)據(jù)。
當通過下電極11和上電極13施加電壓時，由于電勢差，電流在氧化物層12中流動，且電流沒有在所有的部分均勻地流動，而是流動以在氧化層12內形成通過晶粒的瞬時電流路徑10。因為形成于氧化層12內的電流路徑10隨機形成，即使將同一電壓施加到下電極11和上電極13，電流路徑10的形成位置和其形成數(shù)量也總在變化。
圖2是示出當將電壓施加到包括由典型電阻變化材料組成的氧化層的存儲器件時依據(jù)施加的電壓的電流值的曲線圖。具體而言，圖2是示出當將預定的電壓施加到具有與圖1A相同結構的RRAM的下電極11和上電極13時流過氧化層12的電流的曲線圖。氧化層12由氧化鎳(NiO)組成，且下電極11和上電極13由Pt組成。
參考圖2，隨著通過下電極11和上電極13施加的電壓逐漸從0V增加，且當測量流過氧化層12的電流值時，在每次測量中，測量的電流值依據(jù)施加的電壓而不相同，且在它們之間顯示了略微的差異。具體而言，復位電流(RC)即使在相同的施加電壓下也顯示了10倍的差異，且置位電壓(SV)沒有保持相同。如上所述，因為復位電流是不穩(wěn)定的且顯示了高值，所以惡化了存儲器件的可靠性，且增加了功耗。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種制造存儲器件的方法，所述存儲器件包括由電阻變化材料組成的氧化層，其能夠減小和穩(wěn)定復位電流，且穩(wěn)定置位電壓，由此保證了存儲器件的可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供有一種制造存儲器件的方法，所述存儲器件包括由電阻變化材料組成的氧化層，用于穩(wěn)定復位電流，且所述方法包括在下結構上形成下電極和氧化層；且將電子束或離子束照射到氧化層的一區(qū)域上。
另外，電阻變化材料可以包括NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CuO、CoO或Nb2O5中的至少一種材料。
另外，下結構可以包括襯底，其中形成了源極和漏極；柵極絕緣層和柵電極層，形成于襯底上與源極和漏極接觸；和導電插塞，連接到源極和漏極的至少一個和下電極。
另外，所述方法還包括將電子束照射到氧化層上，從而在氧化層上形成上電極。
另外，可以通過25keV或更低的加速電壓，將電子束照射到氧化層的一個區(qū)域上。
另外，可以通過10到20keV的加速電壓，將電子束照射到氧化層的一個區(qū)域上。
另外，下電極可以由導電材料組成，所述導電材料包括Al、Au、Pt、Ru、Ir和Ti的金屬或金屬氧化物。
另外，可以將電子束連續(xù)照射到氧化層的一個區(qū)域，或間歇地以脈沖型照射到氧化層的一個區(qū)域上。


參考附圖，通過詳細描述其示范性實施例，本發(fā)明的以上和其他特征和優(yōu)點將變得更加顯見，在附圖中圖1A和1B是分別示出當將電流施加在包括由電阻變化材料組成的氧化層的常規(guī)存儲器件時形成于氧化層中的電流路徑的視圖；圖2是示出當將電流施加在包括由電阻變化材料組成的氧化層的常規(guī)存儲器件時根據(jù)施加的電壓的電流值的曲線圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例存儲器件形成于晶體管結構上的視圖，存儲器件包括由電阻變化材料組成的氧化層；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例在制造用于穩(wěn)定復位電流的存儲器件的方法中在氧化層的部分上照射電子束的視圖；圖5是示出當將電壓施加到根據(jù)本發(fā)明的實施例制造的存儲器件時形成于氧化層中的電流路徑的視圖；圖6是示出當將電壓施加到根據(jù)本發(fā)明的實施例制造的存儲器件且穩(wěn)定了復位電流時根據(jù)施加的電壓的電流值的曲線圖；以及圖7是示出包括電阻變化材料的存儲器件的電特性的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將參考其中顯示本發(fā)明的優(yōu)選實施例的附圖在其后更加全面地描述本發(fā)明的一種用于穩(wěn)定復位電流的制造存儲器件的方法。在附圖中，為了清晰夸大了層和區(qū)域的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的實施例的所述用于穩(wěn)定復位電流的制造存儲器件的方法的基本工藝如下。
首先，在下結構上順序形成下電極和氧化層。
其次，利用電子束源在氧化層的一部分上照射電子束，從而在氧化層中形成電流路徑?？梢赃x擇性地照射離子束。
第三，在氧化層上形成上電極。
下結構可以簡單地為比如Si的襯底，或可以為具有開關特性的裝置。為了操作該存儲器件，需要電壓施加單元。在根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器件中，還提供了開關來通過將電壓施加到數(shù)據(jù)存儲層即氧化層來寫或讀數(shù)據(jù)。由此，基本結構為1S(開關)-1R(電阻器)結構。開關可以使用晶體管或二極管，但不是限制性的。
圖3是示出使用晶體管作為下結構的情形的視圖。
參考圖3，在襯底20上順序形成柵極絕緣層22和柵電極層23，在襯底20中形成有第一雜質區(qū)21a和第二雜質區(qū)21b，且在襯底20和柵極的整個表面上形成層間絕緣層24。蝕刻第二雜質區(qū)24從而形成暴露第二雜質區(qū)21b的孔，且用導電材料沉積所述孔從而形成導電插塞25，且由此完成下結構的形成。利用制造典型半導體器件的常規(guī)方法可以容易地進行所述工藝。具體而言，可以使用比如濺射工藝的物理氣相(PVD)沉積、原子層沉積(ALD)工藝、或化學氣相沉積(CVD)工藝。
如上所述，在形成下結構之后，在下結構上順序形成下電極31和氧化層32。下電極31由Al、Au、Pt、Ru、Ir和Ti等的金屬或包括金屬氧化物的導電材料組成，所述金屬一般用作典型半導體存儲器件的電極。氧化層32由具有電阻變化特性的材料組成，且具體而言，可以由過渡金屬氧化物組成，且包括選自NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CuO、CoO或Nb2O5的至少一種材料或其化合物。
圖4是示出通過照射來自電子束施加單元的電子束37而在氧化層中形成電流路徑的工藝，即電子束源36到氧化層32的一部分。
參考圖4，氧化層32的表面的一部分被界定為電子束照射區(qū)33，且電子束源36定位朝向電子束照射區(qū)33，從而照射電子束37。通過電子束37的照射，電流34流過氧化層32到下電極31。
電子束照射區(qū)33優(yōu)選地設定在氧化層32的表面的中心區(qū)或圍繞中心區(qū)的一個區(qū)域，作為氧化層32的表面上的局部區(qū)，且其不需設定多個電子束照射區(qū)33。當電子束照射區(qū)的數(shù)量增加時，難于控制如圖1A和1B所示的電流路徑。電子束源36可以使用包括碳納米管、導電尖端等等的場發(fā)射設備，且可以使用通過采用電子槍、電子透鏡、加速器和反射器而更精確設定電子束照射區(qū)的設備，比如掃描顯微鏡。
除了電子束之外，可以使用離子束來在氧化層中形成電流路徑，且離子束施加單元可以提供如電子束施加單元的相同效果。
在將電子束37照射到氧化層32的表面上的電子束照射區(qū)33的方法中，存在一種連續(xù)照射電子束持續(xù)預定時間的方法，和采用脈沖型的電子束照射幾次的方法?？梢允褂萌我环椒?。照射電子束37的加速電壓可以根據(jù)電子束源36的類型變化，且當使用電子束光刻設備時，加速電壓優(yōu)選地為約25keV或更少。當加速電壓過度高時，難于控制氧化層32下的電流路徑，且當加速電壓過度低時，電流路徑?jīng)]有人工地形成于氧化層32內。由此，優(yōu)選地使用約10到20keV的加速電壓。
當充分地將電子束37照射到氧化層32的表面上的電子束照射區(qū)33上時，電流34在氧化層32內流動，且由此電流路徑局部地形成于電子束照射區(qū)33和下電極31之間的氧化層32中。
在電流路徑形成于氧化層32中之后，在氧化層32上形成上電極35，且上電極35由金屬或金屬化合物組成。
圖5示出了當將預定的電壓施加到根據(jù)本發(fā)明的實施例制造的存儲器件的下電極31和上電極35時，存在于氧化層32內的局部電流路徑30。參考圖5，當將電壓施加到下電極31和上電極35時，在下電極31和上電極35之間產生電勢差，從而電流流動。通過圖4所示的工藝，大多數(shù)的電流流過形成于電子束照射區(qū)33和下電極31之間的電流路徑30。
圖6示出了當將電壓施加到相應的存儲器件時，流過根據(jù)本發(fā)明的實施例制造的存儲器件以及常規(guī)的存儲器件的氧化層的電流值的曲線圖。
在圖6中由“參考”標記的樣品中，下電極和上電極分別形成有10nm的厚度，且氧化層在5％的氧分壓下形成有約50nm的厚度，且氧化層的橫向寬度和縱向寬度為30μm。
在圖6中由“E束”標記的樣品中，下電極形成有10nm的厚度，且氧化層在5％的氧分壓下形成有約50nm的厚度，且氧化層的橫向寬度和縱向寬度為30μm。然后，具有約100nm的直徑的電子束照射區(qū)設定在氧化層表面的中心區(qū)上，且使用探頭尖端作為電子束源，將電子束照射到所述區(qū)上，在約10nA的電流流過氧化層持續(xù)10秒之后，完成電子束的照射，從而在氧化層上形成具有10nm厚度的下電極。
參考圖6，其上沒有照射電子束的由“參考”標記的樣品的復位電流與其上照射了電子束的樣品(E束復位1、E束復位2)的復位電流相比是非常高的。在其上沒有照射電子束的樣品(參考)中，僅測量了復位電流一次，且復位電流值的變化在每次測量時顯著高，如圖2所示。在其上照射了電子束的樣品(E束復位1、E束復位2)的樣品中，復位電流值接近且顯示了非常穩(wěn)定的值。另外，其上照射了電子束的樣品(E束復位1、E束復位2)的樣品的置位電壓值與其上沒有照射電子束的樣品(參考)相比是低的，且顯示了如圖2所示的固定值。當置位電壓低時，可以減小所消耗的電壓，且當復位電流低時，可以使用穩(wěn)定應用的存儲器件。
另外，將參考圖7說明包括電阻變化材料的存儲器件的操作特性。圖7是示出包括電阻變化材料的存儲器件的電特性的曲線圖。橫軸代表施加的電壓，且縱軸代表根據(jù)施加的電壓的電流。
參考圖7，當電壓從0V逐漸增加時，電流值沿曲線G1與電壓呈比例增加。然而，當施加V1或更高的電壓時，電阻突然增加，且電流值減小。在施加電壓的范圍V1到V2內，電流值沿曲線G2增加。然而，當施加V2(V2＞V1)或更高的電壓時，電阻突然減小，且電流再次沿曲線G1增加。
同時，根據(jù)大于V1的范圍內的施加的電壓的存儲器件的電特性影響了當施加低于V1的電壓時的存儲器件的電特性，其將如下解釋。
在將V1到V2的范圍的電壓施加到存儲器件之后，當施加了低于V1的電壓時，測量的電流值遵循曲線G2。相反，在將大于V2(例如V3)的電壓施加到存儲器件之后，當再次施加低于V1的電壓時，測量的電流值遵循圖7的曲線G1。如果施加了低于V1的電壓，測量的電流值不固定。當電流值如圖2所示顯著不同時，難于清楚地區(qū)分存儲器處于置位狀態(tài)或復位狀態(tài)，且因此存在存儲器件的可靠性的問題。因此，當根據(jù)本發(fā)明穩(wěn)定了復位電流時，容易地區(qū)分了置位狀態(tài)，且通過減少置位電壓值可以減少消耗的電壓。
根據(jù)本發(fā)明，提供了如下效果。
首先，減小并穩(wěn)定了利用電阻變化材料的存儲器件的復位電流值，由此減小了功耗且保證了存儲器件的可靠性。
第二，改善和穩(wěn)定了置位電壓的變化，由此保證了存儲器件的操作控制的可靠性。
第三，因為電子束源可以使用各種被通常使用的場發(fā)射設備，可選擇的設備的范圍是寬的。
雖然參考其示范性實施例具體顯示和描述了本發(fā)明，然而本領域的一般技術人員可以理解在不脫離由權利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出形式和細節(jié)上的不同變化。
權利要求
1.一種制造存儲器件的方法，所述存儲器件包括由電阻變化材料組成的氧化層，用于穩(wěn)定復位電流，所述方法包括在下結構上形成下電極和氧化層；和將電子束或離子束照射到所述氧化層的一區(qū)域上。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述電阻變化材料包括NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CuO、CoO或Nb2O5中的至少一種材料。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述下結構包括襯底，其中形成了源極和漏極；柵極絕緣層和柵電極層，形成于所述襯底上與所述源極和漏極接觸；和導電插塞，連接到所述源極和漏極的至少一個和下電極。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括將電子束照射到所述氧化層上，從而在所述氧化層上形成上電極。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中通過25keV或更低的加速電壓，將所述電子束照射到所述氧化層的一個區(qū)域上。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中通過10到20keV的加速電壓，將所述電子束照射到所述氧化層的一個區(qū)域上。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述下電極由導電材料組成，所述導電材料包括Al、Au、Pt、Ru、Ir和Ti的金屬或金屬氧化物。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中將所述電子束連續(xù)照射到所述氧化層的一個區(qū)域，或間歇地以脈沖型照射到所述氧化層的一個區(qū)域上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種減小并穩(wěn)定復位電流的存儲器件的制造方法。所述存儲器件包括由電阻變化材料組成的氧化層，用于穩(wěn)定復位電流，所述方法包括在下結構上形成下電極和氧化層；和將電子束或離子束照射到所述氧化層的一區(qū)域上。減小并穩(wěn)定了本發(fā)明的存儲器件的復位電流。
文檔編號H01L21/82GK1913191SQ20061011077
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月11日 優(yōu)先權日2005年8月11日
發(fā)明者安承彥, 金惠英, 樸炳昊, 尹湞斌, 金裕善 申請人:三星電子株式會社