阻變存儲(chǔ)器件及存儲(chǔ)裝置和具有存儲(chǔ)裝置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種阻變存儲(chǔ)器件，包括：第一電極層、第二電極層以及第一可變電阻層和第二可變電阻層，所述第一可變電阻層和第二可變電阻層在第一電極層和第二電極層之間層疊至少一次。第一可變電阻材料層可以包括具有電阻率高于第一電極層或第二電極層并且小于或等于絕緣材料的金屬氮化物層。
【專利說明】阻變存儲(chǔ)器件及存儲(chǔ)裝置和具有存儲(chǔ)裝置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年10月8日向韓國(guó)專利局提交的申請(qǐng)?zhí)枮?0_2012_0111184的韓國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過引用合并于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成器件，更具體而言，涉及一種阻變存儲(chǔ)器件和存儲(chǔ)裝置，以及包括存儲(chǔ)裝置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]代表非易失性存儲(chǔ)器件的快閃存儲(chǔ)器件已逐步變得更高集成。近來，需要低于20nm的高集成技術(shù)。由于快閃存儲(chǔ)器件為了低功耗以低電壓來操作，所以快閃存儲(chǔ)器件由于電流裕度不足而遭遇物理的和電學(xué)的限制。因而，已經(jīng)積極開展了對(duì)能替代這種快閃存儲(chǔ)器件的非易失性存儲(chǔ)器件的研究。
[0005]阻變存儲(chǔ)器件是利用阻變材料的電流轉(zhuǎn)換特性(根據(jù)施加的電壓而變化)的存儲(chǔ)器件。阻變存儲(chǔ)器件作為可以替代快閃存儲(chǔ)器件的非易失性存儲(chǔ)器件而受到關(guān)注，并且典型地包括相變RAM (PRAM)、阻變RAM (ReRAM)等。
[0006]一般而言，PRAM利用過渡金屬氧化物(TMO)以金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)來制造。另外，近來開發(fā)的阻變存儲(chǔ)器件利用形成在阻變材料層中的細(xì)絲(filament)來執(zhí)行開關(guān)操作，并且可以容易地適用于縮小比例的存儲(chǔ)器件。
[0007]圖1是說明一般的阻變存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)的示圖。
[0008]如圖1中所示，阻變存儲(chǔ)器件10具有層疊有第一電極層11、可變電阻材料層13以及第二電極層15的結(jié)構(gòu)。
[0009]第一電極層11和第二電極層15可以例如由氮化鈦(TiN)形成，并且可變電阻材料層13可以例如由諸如氧化鈦(諸如TiO2或Ti02_x的TixOy)的金屬氧化物形成。
[0010]圖2是說明一般的阻變存儲(chǔ)裝置的單位單元的示圖。
[0011]如圖2中所示，存儲(chǔ)器單元連接在位線BL與字線WL之間，并且存儲(chǔ)器單元可以包括阻變存儲(chǔ)器件R和選擇器件S。阻變存儲(chǔ)器件R可以包括圖1中所示的結(jié)構(gòu)，并且選擇器件S可以包括二極管或晶體管等。
[0012]圖3是說明圖1中所示的阻變存儲(chǔ)器件的電流/電壓特性的曲線圖。
[0013]參見圖3，當(dāng)施加從-2V的負(fù)電壓到+2V的正電壓的電壓時(shí)可以看出電流/電壓特性。圖1中所示的阻變存儲(chǔ)器件呈現(xiàn)出阻變開關(guān)行為，使得在+2V的施加電壓下具有設(shè)定狀態(tài)，并且在-2V的施加電壓下具有復(fù)位狀態(tài)。然而，可以看出操作電流與±250 μ A—樣聞。
[0014]圖4是說明另一種一般的阻變存儲(chǔ)器件的示圖。
[0015]如圖4中所示的阻變存儲(chǔ)器件10-1可以具有層疊有第一電極層11、第一可變電阻材料層13-1、第二可變電阻材料層13-2以及第二電極層15的結(jié)構(gòu)。[0016]第一電極層11和第二電極層15可以例如由氮化鈦(TiN)形成。第一可變電阻材料層13-1可以由基于TaxOy (例如，Ta2O5)的材料形成，并且第二可變電阻材料層13-2可以由基于TixOy (例如，TiO2或Ti02_x等)的材料形成。
[0017]在圖4中所示的阻變存儲(chǔ)器件中，可變電阻層具有雙層結(jié)構(gòu)，不同于圖1中所示的阻變存儲(chǔ)器件10。
[0018]圖5是說明圖4中所示的阻變存儲(chǔ)器件的電流/電壓特性的曲線圖。
[0019]由于圖4中所示的阻變存儲(chǔ)器件10-1利用具有雙層結(jié)構(gòu)的過渡金屬層，所以可以改善耐受性和數(shù)據(jù)保持特性。然而，如圖5中所示，操作電壓如-3V至+3V —樣高，并且操作電流如±50 μ A —樣高。
[0020]用在阻變存儲(chǔ)器件中的過渡金屬氧化物優(yōu)選地具有良好的耐受性、長(zhǎng)的使用壽命以及良好的開/關(guān)和保持特性，以確保器件的可靠性。然而，典型的過渡金屬氧化物由于高驅(qū)動(dòng)電壓和電流而導(dǎo)致高功耗。
[0021]流經(jīng)除了選中的器件以外的路徑的寄生電流(sneak current)由于高操作電壓和電流而發(fā)生。因而，需要一種控制寄生電流的方法。
[0022]因此，需要一種在低阻變存儲(chǔ)器狀態(tài)下具有非線性電流特性和低電流/電壓特性的阻變存儲(chǔ)器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的一個(gè)方面，提供了一種阻變存儲(chǔ)器件。阻變存儲(chǔ)器件可以包括:第一電極層、第二電極層、以及第一可變電阻材料層和第二可變電阻材料層，所述第一可變電阻材料層和第二可變電阻材料層在第一電極層與第二電極層之間重復(fù)地層疊至少一次。第一可變電阻材料層可以包括金屬氮化物層，并且其中，在復(fù)位狀態(tài)下，第一可變電阻材料層的電阻率(i)高于第一電極層或第二電極層的電阻率、并且(ii)小于或等于第二可變電阻材料層的電阻率。
[0024]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的另一個(gè)方面，提供了一種阻變存儲(chǔ)裝置。阻變存儲(chǔ)裝置可以包括:存儲(chǔ)器單元陣列，所述存儲(chǔ)器單元陣列包括連接在位線與字線之間的多個(gè)存儲(chǔ)器單元；以及控制器，所述控制器被配置成控制針對(duì)存儲(chǔ)器單元陣列中選中的存儲(chǔ)器單元的數(shù)據(jù)讀取和寫入。多個(gè)存儲(chǔ)器單元中的每個(gè)可以包括阻變存儲(chǔ)器件。阻變存儲(chǔ)器件可以包括第一電極層和第二電極層；以及第一可變電阻材料層和第二可變電阻材料層，所述第一可變電阻材料層和第二可變電阻材料層在第一電極層與第二電極層之間重復(fù)地層疊至少一次。第一可變電阻材料層可以包括金屬氮化物層，并且其中，在復(fù)位狀態(tài)下，第一可變電阻材料層的電阻率(i)高于第一電極層或第二電極層的電阻率、并且(ii)小于或等于第二可變電阻材料層的電阻率。阻變存儲(chǔ)器件，包括:第一電極層、第二電極層以及第一可變電阻材料層與第二可變電阻材料層的至少一個(gè)疊層，所述疊層被設(shè)置在第一電極層和第二電極層之間，其中，第一可變電阻材料層包括金屬氮化物層，并且其中，第一可變電阻材料層的電阻率在復(fù)位狀態(tài)下具有如下電阻率:該電阻率高于第一電極層和第二電極層的電阻率、并且在20攝氏度下小小于或等于107μ Ω。
[0025]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的另一個(gè)方面，提供了一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以包括:阻變存儲(chǔ)裝置、和存儲(chǔ)器控制器，所述存儲(chǔ)器控制器被配置成響應(yīng)于主機(jī)的請(qǐng)求而訪問阻變存儲(chǔ)裝置。阻變存儲(chǔ)裝置可以包括:存儲(chǔ)器單元陣列，所述存儲(chǔ)器單元陣列包括連接在位線與字線之間的多個(gè)存儲(chǔ)器單元，多個(gè)存儲(chǔ)器單元中的每個(gè)包括阻變存儲(chǔ)器件；以及控制器，所述控制器被配置成控制存儲(chǔ)器單元陣列的操作。阻變存儲(chǔ)器件可以包括第一電極層和第二電極層；以及第一可變電阻層和第二可變電阻層，第一可變電阻層和第二可變電阻層在第一電極層與第二電極層之間重復(fù)地層疊至少一次。第一可變電阻材料層可以包括電阻率高于第一電極層或第二電極層并且小于或等于絕緣材料的金屬氮化物層。
[0026]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的另一個(gè)方面，提供了一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以包括:處理器，所述處理器被配置成控制整體操作；操作存儲(chǔ)器，所述操作存儲(chǔ)器被配置成儲(chǔ)存用于處理器的操作所需的應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)、以及控制信號(hào)；阻變存儲(chǔ)裝置，所述阻變存儲(chǔ)裝置被配置成被處理器訪問；以及用戶接口，所述用戶接口被配置成執(zhí)行處理器與用戶之間的數(shù)據(jù)輸入/輸出(I/o)。阻變存儲(chǔ)裝置可以包括:存儲(chǔ)器單元陣列，所述存儲(chǔ)器單元陣列包括連接在位線與字線之間的多個(gè)存儲(chǔ)器單元，多個(gè)存儲(chǔ)器單元中的每個(gè)包括阻變存儲(chǔ)器件；以及控制器，所述控制器被配置成控制存儲(chǔ)器單元陣列的操作。阻變存儲(chǔ)器件可以包括:第一電極層和第二電極層；以及第一可變電阻層和第二可變電阻層，所述第一可變電阻層和第二可變電阻層在第一電極層與第二電極層之間重復(fù)地層疊至少一次。第一可變電阻材料層可以包括電阻率高于第一電極層或第二電極層并且小于或等于絕緣材料的金屬氮化物層。
[0027]在以下標(biāo)題為“【具體實(shí)施方式】”的部分描述這些和其它的特點(diǎn)、方面以及實(shí)施例?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0028]從如下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中將更加清楚地理解本公開的主題的以上和其它的方面、特征以及其它的優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0029]圖1說明一般的阻變存儲(chǔ)器件；
[0030]圖2是說明一般的阻變存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)的示圖；
[0031]圖3是說明圖1中的阻變存儲(chǔ)器件的電流/電壓特性的曲線圖；
[0032]圖4說明另一種一般的阻變存儲(chǔ)器件；
[0033]圖5是說明圖4中的阻變存儲(chǔ)器件的電流/電壓特性的曲線圖；
[0034]圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)的示圖；
[0035]圖7是說明被包括在圖6中的阻變存儲(chǔ)器件中的電極層和第二可變電阻材料層的電阻率的示圖；
[0036]圖8至圖16是說明根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)的示圖；
[0037]圖17是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器件的電流/電壓特性的曲線圖；
[0038]圖18和圖19是說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器單元陣列的結(jié)構(gòu)的示圖；
[0039]圖20是說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的配置的示圖；
[0040]圖21是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的配置的示圖；以及
[0041]圖22是說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的配置的示圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0042]在下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述示例性實(shí)施例。
[0043]本文參照截面圖描述示例性實(shí)施例,截面圖是示例性實(shí)施例(以及中間結(jié)構(gòu))的示意性圖示。照此，可以預(yù)料到圖示的形狀變化是例如制造技術(shù)和/或公差的結(jié)果。因而，示例性實(shí)施例不應(yīng)被解釋為局限于本文所說明的區(qū)域的特定形狀、而是可以包括例如緣于制造的形狀偏差。在附圖中，為了清楚起見，可能對(duì)層和區(qū)域的長(zhǎng)度和尺寸進(jìn)行夸大。相同的附圖標(biāo)記在附圖中表示相同的元件。還要理解當(dāng)提及一層在另一層或襯底“上”時(shí)，其可以直接在另一層或襯底上，或還可以存在中間層。
[0044]圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)的示圖。
[0045]參見圖6，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的阻變存儲(chǔ)器件100可以包括如下結(jié)構(gòu):第一可變電阻材料層103和第二可變電阻材料層105在第一電極層101和第二電極層107之間層
疊至少一次。
[0046]圖6說明了第一可變電阻材料層103形成在第一電極層101上的結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明不局限于這種結(jié)構(gòu)。阻變存儲(chǔ)器件可以具有第一可變電阻材料層103形成在第二可變電阻材料層105與第二電極層107之間的結(jié)構(gòu)。
[0047]第一電極層101和第二電極層107中的每個(gè)可以由如下材料形成:(i)金屬材料，諸如鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、銅(Cu)、釕(Ru)、鉬(Pt)、鎳(Ni)、銥(Ir)、鋁(Al)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、銀(Ag)、以及金(Au)，(ii)包括了所述金屬材料的氮化物層，(iii)所述金屬材料的硅化物層，或者(iv)包括了所述金屬材料的氧化物層。
[0048]第二可變電阻材料層105可以由如下材料形成:(i)金屬氧化物，諸如氧化鋯(ZrOx )、氧化鎳(NiOx )、氧化鉿(HfOx )、氧化鈦(TiOx )、氧化鉭(TaOx )、氧化招(AlOx)、氧化鑭(LaOx)、氧化銀(NbOx)、氧化銀鈦(SrTiOx)、氧化鎂(MgOx)、以及它們的組合材料，(ii)諸如PrCnMnO、LaCaMnO以及Sr (Zr) TiO3的鈣鈦礦，或者(iii )諸如鍺硅(GeS)、鍺硒(GeSe)、硫化銅(Cu2S)以及銀鍺硒(AgGeSe)固態(tài)電解質(zhì)。然而，用于第二可變電阻材料層105的材料不局限于此。
[0049]可替選地，第一可變電阻材料層103可以包括金屬氮化物層。具體地，第一可變電阻材料層103可以具有高于第一電極層、并且小于或等于絕緣材料的電阻率。其中，第一可變電阻材料層103包括金屬氮化物層，并且其中，該金屬氮化物在復(fù)位狀態(tài)下的電阻率(i)高于第一電極層或第二電極層的電阻率、并且(ii)低于或等于第二可變電阻材料層在復(fù)位狀態(tài)下的電阻率。例如，第一可變電阻材料層103可以具有高于150μ Ω并且小于或等于絕緣材料的電阻率。
[0050]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一可變電阻材料層103可以由諸如氮化鈦(TiN)、氮化鈦碳(TiCN)、氮化鈦鋁(TiAIN)、氮化鈦硅(TiSiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鉭碳(TaCN)、氮化鉭硅(TaSiN)、氮化鉭鈦(TaTiN)、氮化鈦硅(TiSiN)、氮化鉿(HfN)、氮化鋯(ZrN)、氮化鎢(WN)、氮化鋁(A1N)、以及它們的組合的材料形成。然而，用于第一可變電阻材料層103的材料不局限于此。另外，當(dāng)?shù)谝豢勺冸娮璨牧蠈?03由金屬氮化物層形成時(shí)，金屬氮化物層可以利用諸如氮?dú)?N2)、氫氣(H2)、氨氣(NH3)、氬氣(Ar)以及它們的組合的氣體而經(jīng)由硝化作用來形成。[0051]圖7說明圖6中所示的阻變存儲(chǔ)器件的電極層和第一可變電阻材料層的電阻率。
[0052]更具體地，圖7說明了當(dāng)在表1中所示的條件下形成層時(shí)，第一可變電阻材料層103和第一電極層101的電阻率的差異。
[0053]表1示出了根據(jù)由TaxNy形成的第一可變電阻材料層103的沉積條件的電阻率。
[0054][表 I]
[0055]
【權(quán)利要求】
1.一種阻變存儲(chǔ)器件，包括: 第一電極層； 第二電極層；以及 第一可變電阻材料層與第二可變電阻材料層的至少一個(gè)疊層，所述疊層被設(shè)置在所述第一電極層與第二電極層之間， 其中，所述第一可變電阻材料層包括金屬氮化物層，以及 其中，在復(fù)位狀態(tài)下，所述第一可變電阻材料層的電阻率:(i)高于所述第一電極層或所述第二電極層的電阻率，并且(ii)小于或等于所述第二可變電阻材料層的電阻率。
2.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器件， 其中，所述第一可變電阻材料層形成在所述第一電極層之上，并且所述第二可變電阻材料層形成在所述第一可變電阻材料層之上， 其中，所述第一可變電阻材料層具有第一可變電阻層與第二可變電阻層的層疊結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的阻變存儲(chǔ)器件，其中，所述第一可變電阻層包括所述金屬氮化物層，并且所述第二可變電阻層包括金屬氧化物層。
4.如權(quán)利要求3所述的阻變存儲(chǔ)器件，其中，所述金屬氧化物層包括任何如下材料:(i)與所述第二可變電阻材料層大體相同并且成分配比與所述第二可變電阻材料層大體相同的材料，(?)與所述第二可變電阻材料層大體相同、但是成分配比與所述第二可變電阻材料層不同的材料，以及(iii)與所述第二可變電阻材料層不同的材料。`
5.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲(chǔ)器件，其中，所述第一可變電阻材料層形成在所述第一電極層之上，并且所述第二可變電阻材料層形成在所述第一可變電阻材料層之上， 其中，所述阻變存儲(chǔ)器件還包括第三可變電阻材料層，所述第三可變電阻材料層介于所述第二可變電阻材料層與所述第二電極層之間，以及 其中，所述第三可變電阻材料層包括金屬氮化物層，以及 其中，在復(fù)位狀態(tài)下，所述第三可變電阻材料層的電阻率:(i )高于所述第一電極層或所述第二電極層的電阻率，并且(ii)小于或者等于所述第二可變電阻材料層的電阻率。
6.如權(quán)利要求5所述的阻變存儲(chǔ)器件，其中，所述第一可變電阻材料層具有第一可變電阻層與第二可變電阻層的層疊結(jié)構(gòu)。
7.一種阻變存儲(chǔ)裝置，包括: 存儲(chǔ)器單元陣列，所述存儲(chǔ)器單元陣列包括耦接在字線與位線之間的多個(gè)存儲(chǔ)器單元；以及 控制器，所述控制器被配置成控制針對(duì)所述存儲(chǔ)器單元陣列中選中的存儲(chǔ)器單元的數(shù)據(jù)寫入操作和數(shù)據(jù)讀取操作， 其中，所述多個(gè)存儲(chǔ)器單元中的每個(gè)包括阻變存儲(chǔ)器件，以及 其中，所述阻變存儲(chǔ)器件包括: 第一電極層； 第二電極層；以及 第一可變電阻材料層與第二可變電阻材料層的至少一個(gè)疊層，所述至少一個(gè)疊層被設(shè)置在所述第一電極層與所述第二電極層之間，以及 其中，所述第一可變電阻材料層包括金屬氮化物層，以及其中，在復(fù)位狀態(tài)下，所述第一可變電阻材料層的電阻率:(i)高于所述第一電極層或所述第二電極層的電阻率，并且(ii)小于或等于所述第二可變電阻材料層的電阻率。
8.如權(quán)利要求7所述的阻變存儲(chǔ)裝置，其中，所述第一可變電阻材料層還包括金屬氧化物層。
9.如權(quán)利要求8所述的阻變存儲(chǔ)裝置， 其中，所述第一可變電阻材料層形成在所述第二可變電阻材料層之上， 其中，所述阻變存儲(chǔ)器件還包括層疊在所述第一電極層的第二表面之上的第三可變電阻材料層， 其中，所述第三可變電阻材料層包括金屬氮化物層，以及 其中，在復(fù)位狀態(tài)下，所述第三可變電阻材料層的電阻率:(i )高于所述第一電極層或所述第二電極層的電阻率，并且(ii)小于或等于所述第二可變電阻材料層的電阻率。
10.一種阻變存儲(chǔ)器件，包括: 第一電極層； 第二電極層；以及 第一可變電阻材料層與第二可變電阻材料層的至少一個(gè)疊層，所述疊層被設(shè)置在所述第一電極層與所述第二電極層之間， 其中，所述第一可變電阻材料層包括金屬氮化物層，以及 其中，所述第一可變電阻材料層的電阻率在復(fù)位狀態(tài)下具有如下電阻率:該電阻率高于所述第一電極層或所述第二電極層的電阻率、并且在20攝氏度下小于或等于107μ Ω。
【文檔編號(hào)】H01L45/00GK103715354SQ201310369694
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月8日
【發(fā)明者】樸祐瑩, 李起正, 金范庸 申請(qǐng)人:愛思開海力士有限公司