電阻型隨機存取存儲裝置制造方法
【專利摘要】根據(jù)實施例的電阻型隨機存取存儲裝置包括第一電極、第二電極以及被置于所述第一電極與第二電極之間的可變電阻部分。該可變電阻部分包括第一絕緣層、第二絕緣層，以及晶層，所述晶層被置于所述第一絕緣層和第二絕緣層之間，具有高于第一電極的電阻率、并且是結晶體。
【專利說明】電阻型隨機存取存儲裝置
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請基于在2013年3月19日提交的在先美國臨時專利申請61/803,211，并要 求其優(yōu)先權，其整體內(nèi)容在此引入作為參考。

【技術領域】
[0003] 本文所述實施例總體涉及電阻型隨機存取存儲裝置。

【背景技術】
[0004] 電阻型隨機存取存儲裝置（ReRAM)是一種非易失性存儲裝置，其中存儲元件具有 兩端子結構，該兩端子結構包括夾在兩個電極之間的可變電阻層。電阻型隨機存取存儲裝 置相比于其它存儲裝置具有更簡單的單元結構，從而認為容易小型化。因此，電阻型隨機存 取存儲裝置作為用于替換現(xiàn)有產(chǎn)品(諸如作為高容量存儲裝置大范圍出售的NAND閃存）的 下一代高容量存儲裝置的有力備選正日益受到關注。
[0005] 對于構成電阻型隨機存取存儲裝置的可變電阻層的可變電阻材料，研究了各種材 料，諸如過渡金屬氧化物材料、硫化物材料、鈣鈦礦氧化物材料、半導體材料等。其中，可變 電阻層的材料為半導體材料(諸如非晶硅）的電阻型隨機存取存儲裝置與CMOS處理具有高 兼容性，從而對于商業(yè)化很有前景。然而，由半導體材料形成其可變電阻層的電阻型隨機存 取存儲裝置具有在寫入狀態(tài)中，即，低電阻狀態(tài)，保持性能不足的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明實施例實現(xiàn)了具有高保持性能的電阻型隨機存取存儲裝置。
[0007] 根據(jù)實施例的電阻型隨機存取存儲裝置包括第一電極、第二電極以及可變電阻部 分，其被置于所述第一電極與第二電極之間。該可變電阻部分包括第一絕緣層、第二絕緣 層，以及晶層，所述晶層被置于所述第一絕緣層和第二絕緣層之間，具有高于第一電極的電 阻率、并且是結晶體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為示出根據(jù)第一實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的存儲元件的截面圖；
[0009] 圖2A和2B為示出根據(jù)第一實施例的存儲裝置的操作的一個假設機制的示意截面 圖；
[0010] 圖3A和3B為示出根據(jù)第一實施例的存儲裝置的操作的替代假設機制的示意截面 圖；
[0011] 圖4為示出第一測試實例的存儲元件的截面透射電子顯微圖；
[0012] 圖5和6為不出存儲兀件的保持性能的視圖；
[0013] 圖7為示出根據(jù)第二實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的存儲元件的截面圖；
[0014] 圖8A和8B為示出根據(jù)第二實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的操作的示意截面 圖；圖8A示出在施加寫電壓下的裝置，圖8B示出在關閉寫電壓之后的裝置；
[0015] 圖9為示出根據(jù)第三實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的存儲元件的截面圖；
[0016] 圖10為示出根據(jù)第四實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的立體圖；
[0017] 圖11為示出根據(jù)第四實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的截面圖；
[0018] 圖12為示出根據(jù)第五實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的截面圖；以及
[0019] 圖13為示出根據(jù)第六實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的截面圖。

【具體實施方式】
[0020] 此處將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
[0021] (第一實施例）
[0022] 首先描述第一實施例。
[0023] 圖1為示出根據(jù)實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的存儲元件的截面圖。
[0024] 如圖1所示，在根據(jù)該實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的存儲元件10中，以如 下次序層疊電極11、絕緣層12、晶層13、絕緣層14以及電極15。從絕緣層12、晶層13及絕 緣層14形成可變電阻部分20。
[0025] 電極11為傳導金屬，用于對可變電阻部分20供應離子。為此，電極11的材料基 于容易離子化的金屬。例如，電極11的材料可基于選自由如下材料構成的組中的一種或多 種金屬：銀（Ag)、銅（Cu)、鈷（Co)、鎳（Ni)、鋁（A1)、鈦（Ti)及金（Au)。
[0026] 絕緣層12的材料和絕緣層14的材料基于這樣的絕緣材料,該絕緣材料基本不與 構成電極11的金屬原子的陽離子反應。這些材料可基于例如選自于由以下材料構成的組 的一種或多種絕緣材料：二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅和金屬氧化物。金屬氧化物可基于例 如選自于由以下材料構成的組的一種或多種材料：氧化鉿、氧化鋁、氧化鈦、氧化鉭、氧化 鎳、氧化鎢以及氧化釩。絕緣層12的材料和絕緣層14的材料可以是相同或不同的。絕緣 層12和絕緣層14的每個膜厚例如為l-5nm。絕緣層12的膜厚和絕緣層14的膜厚可以是 相同或不同的。
[0027] 晶層13的材料基于結晶材料并具有大于電極11的電阻率。晶層13是結晶的比 較重要，并且晶層13可以是多晶體或單晶體。晶層13的材料可以基于例如結晶半導體材 料，諸如晶體娃（Si)、晶體錯（Ge)或晶體娃錯（SiGe)。然而，即使在晶層13的材料基于半 導體材料的情況中，不需要有意增加雜質。晶層13的膜厚優(yōu)選厚于絕緣層12和絕緣層14 的每個膜厚。優(yōu)選，晶層13的膜厚例如約為2-100nm。
[0028] 電極15的材料基于這樣的導體，該導體相比于電極11的材料更不易離子化。電極 15的材料可基于例如這樣的半導體材料，其包含高濃度雜質或不易離子化的惰性金屬。電 極15的材料可基于例如摻雜有高濃度雜質或不易離子化的惰性金屬(諸如鉬（Pt)、鎢（W)、 鑰（Mo)、氮化鈦（TiN)、或鉭（Ta))的半導體材料(諸如硅（Si)、鍺（Ge)或硅鍺（SiGe))。
[0029] 下面描述根據(jù)該實施例的電阻型隨機存取存儲裝置的操作。
[0030] 該實施例中的存儲元件10是電阻變化存儲元件，其中通過施加電壓改變可變電 阻部分20的電阻值。存儲元件10是雙極元件，其中在寫時間施加的電壓的方向與在擦除 時間施加的電壓的方向彼此相反。
[0031] 具體是，對于高阻狀態(tài)中的可變電阻部分20,施加以電極11為相對正極并以電極 15為相對負極的電壓(下文稱為"正向電壓")。然后，構成電極11的部分金屬原子被離子 化為陽離子并朝向電極15遷移。在可變電阻部分20中，陽離子與從電極15供應的電子組 合并結合為金屬原子。從而，在可變電阻部分20中形成細絲21 (參考圖2A)。這使得減小 可變電阻部分20的電阻，并且存儲元件10轉變到低阻狀態(tài)。
[0032] 另一方面，對于低阻狀態(tài)中的可變電阻部分20,施加以電極11為相對負極并以電 極15為相對正極的電壓(下文稱為"反向電壓")。然后，構成細絲21的金屬原子的至少一 部分被離子化為陽離子并朝向電極11遷移。從而，細絲21的至少一部分消失。這使得增 大可變電阻部分20的電阻，并且存儲元件10轉變到高阻狀態(tài)。
[0033] 從而，可使用低阻狀態(tài)定義其中寫入值"1"的狀態(tài)，而可以使用高阻狀態(tài)定義其中 擦除值"1"并變?yōu)橹?〇"的狀態(tài)。于是，通過施加正向電壓的寫電壓，將值"1"寫入存儲元 件10。通過施加反向電壓的擦除電壓，從存儲元件10擦除值"1"。
[0034] 另外，通過施加電壓絕對值低于寫電壓和擦除電壓的讀取電壓，可以在可變電阻 部分20中通過電流以檢測可變電阻部分20的電阻值。從而，可以讀取存儲在存儲元件10 中的值。讀取電壓可以是正向電壓或反向電壓。
[0035] 如下文在第一測試實例中所示，根據(jù)該實施例的存儲裝置在保持性能上顯著優(yōu) 異。根據(jù)該實施例的存儲裝置具有的保持時間是其中由非晶硅形成可變電阻部分的存儲裝 置的大約1〇5倍。
[0036] 下文描述實施例中實現(xiàn)的具有高保持性能的機制。
[0037] 使得根據(jù)該實施例的存儲裝置實現(xiàn)高保持性能的機制還未被完全闡明。然而，低 阻狀態(tài)(寫狀態(tài))的保持性能通過在可變電阻部分20中生成的細絲21的穩(wěn)定性而確定。從 而，形成更穩(wěn)定和堅固的細絲21使得改善保持性能。相應地，在該實施例的存儲元件10中， 推斷在可變電阻部分20中形成堅固的細絲21。從而，例如，假設下面的兩種機制。
[0038] 圖2A和2B為示出根據(jù)實施例的存儲裝置的操作的一個假設機制的示意截面圖。
[0039] 如圖2A所示，當對高阻狀態(tài)中的存儲元件10施加正向電壓的寫電壓時，在電極11 與電極15之間形成電場。然后，形成電極11的金屬原子被離子化為陽離子并朝向電極15 遷移。然而，由于絕緣層12的厚度的不均勻性，使得電場也不均勻。從而，在絕緣層12中， 電場集中于比其它部分具有更薄厚度的部分上。
[0040] 從而，從絕緣層12較薄并且電場較強的部分開始形成細絲21。在細絲21中，將在 絕緣層12中形成的部分稱為部分21a，將在晶層13中形成的部分稱為部分21b，并將在絕 緣層14中形成的部分稱為部分21c。其中，部分21b的外表面沿晶層13的晶面13a形成。 例如，在由單晶硅形成晶層13并由銀形成電極11的情況中，沿硅面（111)形成細絲21的部 分21b的外表面。從而，部分21b形成得較厚。由于部分21b形成得較厚，部分21a和21c 也形成得較厚。從而，細絲21整體形成得較堅固而不容易隨著時間變化而消失。這使得獲 得低阻狀態(tài)的高保持性能。
[0041] 另外，如圖2B所示，當對低阻狀態(tài)的存儲元件10施加反向電壓的擦除電壓時，構 成細絲21的金屬原子的至少一部分被離子化為陽離子并朝向電極11遷移。從而，細絲21 的至少一部分消失。于是，可變電阻部分20轉變到高阻狀態(tài)。
[0042] 從而，根據(jù)該機制，細絲21的部分21b的外表面沿晶層13的晶面13a形成。相應 地，部分21b形成得較厚。于是推斷，細絲21整體形成得較厚且堅固，從而獲得高保持性能。 認為，在晶層13由單晶或大晶粒形成并包括在與絕緣層12的界面和與絕緣層14的界面之 間連續(xù)存在的至少一個晶面的情況下，該機制尤其占主導。
[0043] 圖3A和3B為示出根據(jù)實施例的存儲裝置的操作的替代假設機制的示意截面圖。
[0044] 如圖3A所示，根據(jù)該機制，晶層13是多晶體。晶層13包括在與絕緣層12的界面 和與絕緣層14的界面之間連續(xù)存在的至少一個晶粒邊界13b。即，在晶層13中，形成在沿 厚度方向穿過晶層13的晶粒邊界13b。通常，雜質原子的遷移率在晶粒邊界處高于在晶粒 中。從而，如果在電場集中的絕緣層12的較薄的區(qū)域中形成細絲21的部分21a，則從該部 分21a開始，沿晶層13的晶粒邊界13b形成部分21b。另外，從部分21b開始，在絕緣層14 中形成部分21c。從而，沿晶層13的晶粒邊界13b穩(wěn)定形成部分21b。相應地，形成整體堅 固的細絲21。
[0045] 另外，如圖3B所示，當對存儲元件10施加擦除電壓時，構成細絲21的金屬原子的 至少一部分被離子化為陽離子并朝向電極11遷移。從而，細絲21的至少一部分消失。相 應地，存儲元件10轉變到高阻狀態(tài)。
[0046] 因此，根據(jù)該機制，沿晶層13的晶粒邊界13b穩(wěn)定形成細絲21的部分21b。推斷 出，這穩(wěn)定了整個細絲21并獲得高保持性能。認為，在晶層13是多晶體并且存在沿層厚方 向穿過晶層13的晶粒邊界13b的情況中，該機制尤其占主導。
[0047] (第一測試實例）
[0048] 第一測試實例是示出第一實施例的效果的測試實例。
[0049] 圖4為示出該測試實例的存儲元件的截面透射電子顯微圖。
[0050] 通過如下過程制造圖4所示的樣本。在具有p型傳導性的p型硅層上，依次沉積 二氧化硅、非晶硅和二氧化硅。然后，通過加熱處理使非晶硅結晶。然后，沉積銀。
[0051] 如圖4所示，在該測試實例的存儲元件中，使非晶硅結晶并變?yōu)槎嗑w。從而，將 存儲元件形成為如下依次布置：由銀形成的電極11、由二氧化硅形成的絕緣層12、由多晶 硅形成的晶層13、由二氧化硅形成的絕緣層14、以及由p型高摻雜硅形成的電極15。
[0052] 然后，評估該存儲元件的保持性能。具體地，對存儲元件施加寫電壓，以使得可變 電阻部分轉變?yōu)榈妥锠顟B(tài)。然后，在關閉電壓下，將存儲元件保持在固定溫度以在一定時間 中測量讀取電流值?？梢哉J為，在讀取電流值下降前停留較長時間的存儲元件具有高保持 性能。
[0053] 圖5和6為示出存儲元件的保持性能的視圖。水平軸表示時間，堅直軸表示在低 阻狀態(tài)的存儲元件中流動的讀取電流的值。
[0054] 表1中示出圖5和圖6所示的每個樣本的每層的組成。
[0055] [表 1]
[0056]

【權利要求】
1. 一種電阻型隨機存取存儲裝置，包括： 第一電極； 第二電極；以及 可變電阻部分，其被布置在所述第一電極與第二電極之間， 所述可變電阻部分包括： 第一絕緣層； 第二絕緣層；以及 晶層，其被布置在所述第一絕緣層與第二絕緣層之間，具有高于第一電極的電阻率，并 且是結晶體。
2. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述晶層包括選自于由以下材料構成的組的一種 或多種材料：晶體硅、晶體鍺、以及晶體硅鍺。
3. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述第一電極包括選自于由以下材料構成的組的 一種或多種材料：銀、銅、鎳、鈷、鈦、鋁及金。
4. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述第一絕緣層和第二絕緣層的至少一個包括選 自于由以下材料構成的組的一種或多種絕緣材料：二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、以及金屬 氧化物。
5. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述第一絕緣層和第二絕緣層每個比所述晶層 薄。
6. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述第一絕緣層的厚度和第二絕緣層的厚度每個 為5nm或以下。
7. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中在晶層中，至少一個晶面連續(xù)存在于與第一絕緣 層的界面和與第二絕緣層的界面之間。
8. 根據(jù)權利要求7所述的裝置，其中所述晶層由硅形成，所述晶面為硅的（111)面。
9. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中在晶層中，至少一個晶粒邊界連續(xù)存在于與第一 絕緣層的界面和與第二絕緣層的界面之間。
10. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，還包括： 位線，其與所述第一電極與第二電極中的一個連接； 晶體管，其源極和漏極之一與所述第一電極和第二電極的另一個連接； 源線，其與所述晶體管的源極和漏極的另一個連接；以及 字線，其與所述晶體管的柵極連接。
11. 一種電阻型隨機存取存儲裝置，包括： 第一電極； 第二電極； 可變電阻部分，其被布置在所述第一電極與第二電極之間；以及 非金屬層，其被設置在所述第一電極與可變電阻部分之間或所述第二電極與可變電阻 部分之間， 所述可變電阻部分包括： 第一絕緣層； 第二絕緣層；以及 晶層，其被布置在所述第一絕緣層與第二絕緣層之間，具有高于第一電極的電阻率，并 且是結晶體。
12. 根據(jù)權利要求11所述的裝置，其中 當在所述第一電極與第二電極之間施加電壓時，所述非金屬層變到低阻狀態(tài)，從而使 得所述可變電阻部分變到低阻狀態(tài)，以及 所述非金屬層的低阻狀態(tài)的保持性能低于所述可變電阻部分的低阻狀態(tài)的保持性能。
13. 根據(jù)權利要求11所述的裝置，其中所述非金屬層包括選自于由以下材料構成的組 的一種或多種材料：硅、二氧化硅、鍺、氧化鍺以及金屬氧化物。
14. 根據(jù)權利要求11所述的裝置，還包括： 字線接線層，其包括在第一方向延伸的多個字線；以及 位線接線層，其包括在與第一方向交叉的第二方向延伸的多個位線， 其中所述字線接線層和位線接線層被交替層疊，以及 在每個所述字線與每個所述位線之間布置柱，該柱包括所述第一電極、所述第二電極 以及所述可變電阻部分。
15. -種電阻型隨機存取存儲裝置，包括： 第一電極，其包括銀； 第二電極；以及 可變電阻部分，其被布置在所述第一電極與第二電極之間， 所述可變電阻部分包括： 第一二氧化硅層； 第二二氧化硅層；以及 晶體硅層，其被布置在所述第一二氧化硅層與第二二氧化硅層之間。
16. 根據(jù)權利要求15所述的裝置，還包括： 非晶硅層或二氧化硅層的至少一個，其被設置在所述第一電極和可變電阻部分之間。
17. 根據(jù)權利要求15所述的裝置，還包括： 非晶硅層或二氧化硅層的至少一個，其被設置在所述第二電極和可變電阻部分之間。
18. 根據(jù)權利要求15所述的裝置，還包括： 字線接線層，其包括在第一方向延伸的多個字線；以及 位線接線層，其包括在與第一方向交叉的第二方向延伸的多個位線， 其中在每個所述字線與每個所述位線之間布置所述第一電極、第二電極以及可變電阻 部分。
【文檔編號】H01L27/24GK104064672SQ201310406691
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權日:2013年3月19日
【發(fā)明者】石川貴之, 藤井章輔, 宮川英典, 田中洋毅, 齋藤真澄 申請人:株式會社 東芝