具有雙向開關特性的雙端子開關元件、包括它的電阻存儲交叉點陣、以及制造雙端子開關 ...的制作方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種開關元件，更具體而言，涉及一種具有雙向開關特性的雙端子型開關元件。
【技術背景】
[0002]當前，在商業化的電阻隨機存取存儲器(resistive random accessmemories, RRAM)閃存中，使用了基于電荷在電荷存儲層內儲存或電荷從該電荷存儲層去除的閾值電壓變化。電荷存儲層可以是作為多晶硅層的浮置柵極(floating gate)或作為氮化硅層的電荷捕獲層。近來，已經研究比閃存具有更低功耗和更高集成度的新一代電阻存儲元件。例如，所述新一代電阻存儲元件包括相變隨機存取存儲器(PRAM)、磁阻RAM(MRAM)、和電阻變 RAM (resistance change RAM，Re RAM)。
[0003]為了實現電阻存儲元件作為陣列(array)，通常提供了具有存儲特性的電阻元件和電連接到該電阻元件上的選擇性元件。該選擇性元件可以是晶體管或二極管。然而，晶體管的限制是該元件的尺寸由于短溝道效應如穿通而減小。此外，由于一般的二極管使得電流在一個方向流動，因此有一個二極管不適合用于在正極性有電阻變化特性的雙極元件如電阻元件的缺點。此外，在晶體管中，由于形成柵電極、源/漏區域、源/漏電極，因此有一個晶體管不適合于高度集成的缺點。
[0004]為了解決這些問題，韓國專利申請公開號2011-0074353公開了有一對PN 二極管形成在雙極存儲元件兩端的存儲元件。然而，在這種情況下，形成在所述雙極存儲元件下端的PN 二極管的特性與形成在所述雙極存儲元件上端的PN 二極管的特性可能難以對稱。此夕卜，當正向電場施加在兩個PN 二極管中的任何一個時，反向電場就施加在另外一個上。因反向電流密度降低正向電流密度，所以正常存儲操作可能是困難的。
[0005]【信息公開】
[0006]【技術問題】
[0007]本發明旨在提供具有雙向開關特性和對稱元件操作特性的雙端子開關元件、電阻存儲交叉點陣，及制造它們的方法，其中一個雙端子開關元件被包括在一單元區內以提高集成度。
[0008]【技術方案】
[0009]本發明的一方面提供了雙端子開關元件。提供了第一電極和第二電極。布置了電連接至第一電極和第二電極上的一對第一導電型金屬氧化物半導體層。所布置的第二導電型金屬氧化物半導體層被布置在所述第一導電型金屬氧化物半導體層之間。
[0010]所述第一導電型金屬氧化物半導體層可以是相同的材料層。
[0011]所述第一導電型和第二導電型的任何一個都可以是P-型，且另外一個可以是N-型。每個P-型金屬氧化物半導體層都可以有小于等于3eV的帶隙(band gap)。該P-型金屬氧化物半導體層的氧原子比例可以是30-50%，大于滿足化學計量比時的比例。該P-型金屬氧化物半導體層可以是CuOx (1.Kx ^ 1.5)或CoOx (1.Kx ^ 1.5)。所述N-型金屬氧化物半導體層可以是選自于由ZnO、SnO2N ln203、Ga203、InSnO、GalnO、ZnlnO、ZnSnO、InGaZnO、Ti02、Ce02、A1203、Ta205、La02、Nb02、LiNb03、BaSrT13N SrTi03、Zr02、SrZrO3N Nb-慘雜的SrTi03、Cr-摻雜的SrT13、和Cr-摻雜的SrZrO3K組成的組中的一種金屬氧化物層。
[0012]本發明的另一方面提供了電阻存儲交叉點陣。該電阻存儲交叉點陣包括第一端電極和第二端電極。開關層被布置在所述第一端電極和第二端電極之間。該開關層包括一對第一導電型金屬氧化物半導體層和布置在所述第一導電型金屬氧化物半導體層之間的第二導電型金屬氧化物半導體層。雙極可變電阻層被布置在所述開關層和第二端電極之間。
[0013]所述可變電阻層可以是磁隧道結(magnetic tunnel junct1n, MTJ)結構或電阻變存儲層。
[0014]中間電極可以位于所述開關層和可變電阻層之間。所述第一端電極和中間電極可以是相同的材料層。
[0015]本發明的另一方面提供了制造雙端子開關元件的方法。第一，將第一導電型下部金屬氧化物半導體層形成在第一電極上。將第二導電型金屬氧化物半導體層形成在所述第一導電型下部金屬氧化物半導體層上。將第一導電型上部金屬氧化物半導體層形成在所述第二導電型金屬氧化物半導體層上。將第二電極形成在所述第一導電型上部金屬氧化物半導體層上。
[0016]可以對在其上形成所述第二電極的所得結構進行退火。所述退火可以包括熱處理或紫外(UV)處理。
[0017]所述第一導電型金屬氧化物半導體層可以是相同的材料層。
[0018]所述第一導電型和第二導電型的任何一個都可以是P-型，且另外一個可以是N-型。該P-型金屬氧化物半導體層可以有小于等于3eV的帶隙。該P-型金屬氧化物半導體層的氧原子比例可以是30-50%，大于滿足化學計量比時的比例。該P-型金屬氧化物半導體層可以是Cu0x(l.Kx彡1.5)或Co0x(l.Kx彡1.5)。所述N-型金屬氧化物半導體層可以是選自于由 ZnON SnO2N ln203、Ga2O3、InSnO、GalnO、ZnlnO、ZnSnO、InGaZnO、Ti02、Ce02、Al2O3' Ta2O5' La02、Nb02、LiNbO3、BaSrT13、SrT13、Zr02、SrZrO3、Nb-摻雜的 SrT13、Cr-摻雜的SrT13、和Cr-摻雜的SrZrO3K組成的組中的一個金屬氧化物層。
[0019]本發明的另一方面提供了電阻存儲交叉點陣的制造方法。第一，將包括第一導電型下部金屬氧化物半導體層、第二導電型金屬氧化物半導體層、和第一導電型上部金屬氧化物半導體層的開關層形成在第一端電極上。將第二端電極形成在所述開關層上。在形成所述開關層前，將可變電阻層形成在所述第一端電極上，或者在形成第二端電極前，將其形成在所述開關層上。
[0020]可以對在其上形成所述開關層的所得結構實施退火。所述退火可以包括熱處理或UV處理。
[0021]所述可變電阻層可以是雙極可變電阻層，例如MTJ結構或電阻變存儲層。
[0022]中間電阻可以形成在所述開關層和可變電阻層之間。與開關層相鄰的第一端電極或第二端電極和中間電極可以是相同的材料層。
[0023]【有益的效果】
[0024]根據本發明，雙端子開關元件包括一對第一導電型金屬氧化物半導體層和布置在所述第一導電型金屬半導體層之間的第二導電型金屬氧化物半導體層，因此能夠顯示對稱的和雙向的開關特性。此外，使用所述雙端子開關元件可以提高電阻存儲交叉點陣的集成度。
【【附圖說明】】
[0025]圖1是顯示了根據本發明一個實施方案的雙端子開關元件的截面圖。
[0026]圖2是顯示了根據本發明一個實施方案的電阻存儲交叉點陣單元區的截面圖。
[0027]圖3是顯示了根據本發明另一個實施方案的電阻存儲交叉點陣單元區的截面圖。
[0028]圖4A和4B是用來說明本發明一個實施方案的電阻存儲交叉點陣的寫入方法的示意圖。
[0029]圖5是顯示出通過制造實施例1制造得到的CoOJl的盧瑟福背散射光譜(RBS)峰的圖。
[0030]圖6A和6B是顯示出通過制造實施例1-4制造的P_N_P開關元件的電流-電壓特性的圖。
[0031]圖7是顯示出制造實施例1和5制造的P-N-P開關元件的電流-電壓特性的圖。
[0032]圖8是顯示出制造實施例6制造的可變電阻元件的電流-電壓特性的圖。
[0033]圖9A和9B是顯示出包含串聯的P-N-P開關元件和可變電阻元件的元件的電流-電壓特性的圖。
[0034]【本發明的模式】
[0035]下面，為了進一步具體說明本發明，將參考附圖更詳細地說明本發明的示例性實施方案。然而，本發明不限于上述實施方案，并可以以不同的形式體現。
[0036]在本說明書中，應理解的是，當提及一個層被布置在另一個層或基底“上”時，其可以被直接形成在所述另一層或基底上，或可以有第三個層被插在它們中間。此外，在此說明書中，應理解的是，這里所用的方向術語如“上方”、“上(部)”、或“上表面”也可以被理解為“下方”、“下(部)”、“下表面”、“側面”、“側(部)”、或“側表面”。也就是空間上的方向術語應被理解為指的是相對方向，而不應被理解為限制性的絕對方向。另外，在此說明書中，術語如“第一”或“第二”不限制組件，應被理解為區分組件的術語。
[0037]此外，層的厚度和面積在本說明書的附圖中為清楚起見而被放大了。在整個說明書中，相同的標號說明是相同的組件。
[0038]圖1是說明根據本發明一個實施方案的雙端子開關元件的截面圖。
[0039]參照圖1，雙端子開關元件包括第一電極100、第二電極300、一對分別電連接到所述第一電極100和第二電極300上的一對第一導電型金屬氧化物半導體層210和230、和布置在所述第一導電型金屬氧化物半導體層210和230之間的第二導電型金屬氧化物半導體層220。因為所述第一導電型和第二導電型是相反的導電類型，一個可以是P-型，而另一個可以是N-型。因此，所述雙端子開關元件可以具有P-N-P或N-P-N結構。
[0040]當第一電極100和第二電極300之間施加預定絕對值以上的電壓時，可以在整個第二導電型金屬氧化物半導體層220形成耗盡(deplet1n)層。此時，在與第一導電型金屬氧化物半導體層210和230相接觸的第二導電型金屬氧化物半導體層220的側表面中，電流可以在施加反向偏壓的部分傳導。結果，所述雙端子開關元件可以被打開，可以有正值的閾值電壓，也可以有負值的閾值電壓，并因此而實現雙向開關。
[0041]同時，第二導