電子設備的制造方法

電子設備的制造方法
【專利摘要】一種電子設備包括半導體單元。半導體單元包括：第一電極和第二電極，在第一方向上彼此間隔開；以及第一材料層，插入在第一電極與第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，其中，第一電極或第二電極或第一電極和第二電極二者包括：第一子電極和第二子電極，在第一方向上彼此間隔開；以及第二材料層，插入在第一子電極與第二子電極之間，并且具有足夠小的厚度以使第二材料層能夠在半導體單元的操作電流處對流入其中的電流呈現類似歐姆的行為。
【專利說明】電子設備
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2015年2月23日提交的發明名稱為“電子設備”的韓國專利申請N0.10-2015-0024951的優先權，其全部內容通過引用合并于此。
技術領域
[0003]本專利文獻涉及存儲電路或器件及其在電子設備或系統中的應用。
【背景技術】
[0004]近來，隨著電子設備或裝置趨于小型化、低功耗、高性能、多功能等，需要能夠在各種電子設備或裝置(諸如，計算機、便攜式通信設備等)中儲存信息的電子設備，并且已經對此類電子設備進行研究和開發。此類電子設備的示例包括能夠使用根據施加的電壓或電流而在不同的電阻狀態之間切換的特性來儲存數據并且能夠以各種配置(例如，電阻隨機存取存儲器(RRAM)、相變隨機存取存儲器(PRAM)、鐵電隨機存取存儲器(FRAM)、磁性隨機存取存儲器(MRAM)、E熔絲等)實施的電子設備。

【發明內容】

[0005]本專利文獻中公開的技術包括存儲電路或器件及其在電子設備或系統中的應用以及電子設備的各種實施方式，其中電子設備能夠包括具有改善的操作特性和可靠性的半導體單元。
[0006]在一個實施例中，一種電子設備包括半導體單元，所述半導體單元包括:第一電極和第二電極，在第一方向上彼此間隔開；以及第一材料層，插入在第一電極與第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，其中，第一電極或第二電極或第一電極和第二電極二者包括:第一子電極和第二子電極，在第一方向上彼此間隔開；以及第二材料層，插入在第一子電極與第二子電極之間，并且具有足夠小的厚度以使第二材料層能夠在半導體單元的操作電流處對流入其中的電流呈現類似歐姆(ohmic-like)的行為。
[0007]上述設備的實施例可以包括以下內容的一個或更多個。
[0008]第二材料層在操作電流處沒有被擊穿。第二材料層包括絕緣材料或半導體材料。第二材料層包括HfOjl。第一材料層具有根據導電路徑在第一層材料層中是產生還是消失而改變的電阻值。第一材料層具有包括金屬氧化物、相變材料、鐵電材料和鐵磁材料中的至少一種的單層結構或多層結構。第一材料層具有單層結構或多層結構，第一材料層包括二極管、雙向閾值切換(OTS)材料、混合離子電子導電(MIEC)材料、金屬絕緣體轉變(MIT)材料、隧道絕緣材料中的至少一種。第一材料層包括其中缺氧金屬氧化物層和富氧金屬氧化物層沿第一方向布置的層疊結構。第一電極包括第一子電極、第二材料層和第二子電極；以及，其中富氧金屬氧化物層與第一電極相鄰。第一材料層包括沿第一方向布置的多個層；以及，其中所述多個層中的至少一個是隧道絕緣層。第一電極包括第一子電極、第二材料層和第二子電極；以及，其中隧道絕緣層與第一電極相鄰。
[0009]在另一個實施例中，一種電子設備包括半導體存儲單元，所述半導體單元包括多個存儲單元，所述多個存儲單元中的每個包括:第一電極和第二電極，在第一方向上彼此間隔開；可變電阻元件，插入在第一電極與第二電極之間；以及閾值切換元件，插入在可變電阻元件與第二電極之間；其中，第一電極或第二電極或第一電極和第二電極二者包括:第一子電極和第二子電極，在第一方向上彼此間隔開；以及材料層，插入在第一子電極與第二子電極之間，并且具有足夠小的厚度以使材料層能夠在存儲單元的操作電流處呈現類似歐姆的行為。
[0010]上述設備的實施例可以包括以下內容的一個或更多個。
[0011]所述多個存儲單元中的每個進一步包括:第三電極，插入在可變電阻元件與閾值切換元件之間。第三電極包括第一子電極、材料層和第二子電極。材料層包括絕緣材料或半導體材料。半導體存儲單元進一步包括:第一線，沿與第一方向相交的第二方向延伸；以及第二線，沿與第一方向和第二方向相交的第三方向延伸；其中第一線與第二線在第一方向上間隔開；以及其中，所述多個存儲單元分別位于第一線和第二線的交點處。
[0012]電子設備可以進一步包括微處理器，其包括:控制單元，被配置成從微處理器的外部接收包括命令的信號，并且執行命令的提取、命令的譯碼或微處理器的信號的控制輸入或輸出；操作單元，被配置成基于控制單元對命令譯碼的結果來執行操作；以及存儲單元，被配置成儲存用于執行操作的數據、與執行操作的結果對應的數據或對其執行操作的數據的地址，其中半導體單元是微處理器中的存儲單元的一部分。
[0013]電子設備可以進一步包括處理器，其包括:核心單元，被配置成基于從處理器的外部輸入的命令，通過使用數據來執行與命令對應的操作；高速緩沖存儲單元，被配置成儲存用于執行操作的數據、與執行操作的結果對應的數據或對其執行操作的數據的地址；以及總線接口，連接在核心單元與高速緩沖存儲單元之間，并且被配置成在核心單元與高速緩沖存儲單元之間傳輸數據，其中半導體單元是處理器中的高速緩沖存儲單元的一部分。
[0014]電子設備可以進一步包括處理系統，其包括:處理器，被配置成對處理器接收到的命令譯碼并且基于對命令譯碼的結果來控制對信息的操作；輔助存儲器件，被配置成儲存用于對命令譯碼的程序和信息；主存儲器件，被配置成在執行程序時調用并儲存來自輔助存儲器件的程序和信息，使得處理器能夠使用程序和信息來執行操作；以及接口設備，被配置成執行處理器、輔助存儲器件和主存儲器件中的至少一個與外部之間的通信，其中半導體單元是處理系統中的輔助存儲器件或主存儲器件的一部分。
[0015]電子設備可以進一步包括數據儲存系統，其包括:儲存器件，被配置成儲存數據并且無論電源如何都保存儲存的數據；控制器，被配置成根據從外部輸入的命令來控制數據到儲存器件的輸入以及數據從儲存器件的輸出；暫時儲存器件，被配置成暫時儲存在儲存器件與外部之間交換的數據；以及接口，被配置成執行儲存器件、控制器和暫時儲存器件中的至少一個與外部之間的通信，其中半導體單元是數據儲存系統中的儲存器件或暫時儲存器件的一部分。
[0016]電子設備可以進一步包括存儲系統，其包括:存儲器，被配置成儲存數據并且無論電源如何都保存儲存的數據；存儲器控制器，被配置成根據從外部輸入的命令來控制數據到存儲器的輸入以及數據從存儲器的輸出；緩沖存儲器，被配置成緩沖在存儲器與外部之間交換的數據；以及接口，被配置成執行存儲器、存儲器控制器和緩沖存儲器中的至少一個與外部之間的通信，其中半導體存儲單元是存儲系統中的存儲器或緩沖存儲器的一部分。
[0017]根據本文提供的附圖和實施例的描述，所描述的這些和其他方面、實施方式以及相關優點將變得明顯，本文提供的附圖和實施例的描述旨在對所要保護的發明提供進一步解釋。
【附圖說明】
[0018]圖1A是示出根據一個比較示例的半導體器件的剖視圖。
[0019]圖1B是用于解釋在圖1A的半導體器件包括可變電阻元件的情況下的操作方法的示圖。
[0020]圖1C是用于解釋在圖1A的半導體器件包括閾值切換元件的情況下的操作方法的示圖。
[0021]圖1D是用于解釋圖1A的半導體器件中出現的問題的示圖。
[0022]圖2A是示出根據一個實施方式的半導體器件的剖視圖。
[0023]圖2B是用于解釋在圖2A的半導體器件包括可變電阻元件的情況下的操作方法的示圖。
[0024]圖2C是用于解釋在圖2A的半導體器件包括閾值切換元件的情況下的操作方法的示圖。
[0025]圖2D是示出在圖2A的半導體器件的形成操作期間的電流流動的示圖。
[0026]圖2E是用于解釋圖2A的半導體器件的第二材料層的特性的示圖。
[0027]圖3A是示出根據另一個比較示例的半導體器件的剖視圖。
[0028]圖3B是示出根據另一個實施方式的半導體器件的剖視圖。
[0029]圖3C是示出在圖3A和3B的半導體器件的操作期間的電流電壓特性的示圖。
[0030]圖4A是示出根據又一個比較示例的半導體器件的剖視圖。
[0031 ]圖4B是示出在圖4A的操作期間的電流電壓特性的示圖。
[0032]圖4C是示出根據又一個實施方式的半導體器件的剖視圖。
[0033]圖4D是示出在圖4C的半導體器件的操作期間的電流電壓特性的示圖。
[0034]圖5A是示出根據又一個比較示例的半導體器件的剖視圖。
[0035]圖5B是示出在圖5A的操作期間的電流電壓特性的示圖。
[0036]圖5C是示出根據又一個實施方式的半導體器件的剖視圖。
[0037]圖f5D是示出在圖5C的半導體器件的操作期間的電流電壓特性的示圖。
[0038]圖6是示出根據一個實施方式的存儲單元陣列的透視圖。
[0039]圖7示出基于所公開的技術的實現存儲電路的微處理器。
[0040]圖8示出基于所公開的技術的實現存儲電路的處理器。
[0041]圖9示出基于所公開的技術的實現存儲電路的系統。
[0042]圖10示出基于所公開的技術的實現存儲電路的數據儲存系統。
[0043]圖11示出基于所公開的技術的實現存儲電路的存儲系統。
【具體實施方式】
[0044]以下將參照附圖描述本公開的各種實施例。
[0045]附圖可能不一定按比例繪制，并且在一些實例中，附圖中的至少一些結構的比例可能被放大以便清楚地示出實施例的某些特征。在呈現在多層結構中具有兩個或更多個層的附圖或描述的實施例中，這些層的相對位置關系或者布置層的順序反映實施例的特定實施方式，并且不同的相對位置關系或者布置的層的不同順序是可能的。此外，多層結構的實施例的描述和說明可能沒有反映該特定多層結構中存在的所有層(例如，在兩個示出的層之間可能存在一個或更多個額外的層)。作為具體示例，當描述或示出的多層結構中的第一層被稱為在第二層“上”或“之上”或者在襯底“上”或“之上”時，第一層可以直接形成在第二層或襯底上，但是也可以表示在第一層和第二層或襯底之間存在一個或更多個其他中間層的結構。
[0046]在描述實施方式之前，將描述根據比較示例的半導體器件、其操作方法和其問題。
[0047]圖1A是示出根據一個比較示例的半導體器件的剖視圖，圖1B是用于解釋在圖1A的半導體器件包括可變電阻元件的情況下的操作方法的示圖，圖1C是用于解釋在圖1A的半導體器件包括閾值切換元件的情況下的操作方法的示圖，以及圖1D是用于解釋圖1A的半導體器件中出現的問題的示圖。
[0048]參見圖1A，比較示例的半導體器件可以包括第一電極11、位于第一電極11之上且與第一電極11間隔開的第二電極13以及插入在第一電極11與第二電極13之間的材料層
12ο
[0049]第一電極11和第二電極13可以用來將電壓或電流施加到材料層12的兩端，并且可以由導電材料形成。
[0050]材料層12可以具有根據通過第一電極11和第二電極13施加到其的電壓或電流而在不同的電阻狀態之間切換的可變電阻特性。具有可變電阻特性的材料層12可以被稱為可變電阻元件。在圖1B中示例性示出可變電阻元件的電流電壓特性。
[0051]參見圖1Β，在初始狀態中，可變電阻元件可以處在高電阻狀態HRS。當施加到可變電阻元件的電壓達到特定正電壓時，可以執行設置操作，使得可變電阻元件從高電阻狀態HRS改變成低電阻狀態LRS。在設置操作期間施加到可變電阻元件的電壓可以被稱為設置電壓Vset。
[0052]在完成設置操作之后，施加到可變電阻元件的電壓降低，并且可變電阻元件的低電阻狀態LRS可以被保持，直到電壓達到特定負電壓。當施加到可變電阻元件的電壓達到特定負電壓時，可以執行重置操作，使得可變電阻元件從低電阻狀態LRS改變成高電阻狀態HRS。在重置操作期間施加到可變電阻元件的電壓可以被稱為重置電壓Vreset。
[0053]以這種方式，可變電阻元件可以在低電阻狀態LRS與高電阻狀態HRS之間重復切換。
[0054]同時，多個設置操作的初始設置操作可以被稱為形成操作。在形成操作期間施加到可變電阻元件的形成電壓可以高于設置電壓Vset。這是因為在材料層12中首次產生導電路徑所需的電壓大于執行形成操作之后的設置操作的電壓。設置電壓Vset在形成操作之后的設置操作期間可以是基本不變的。類似的，重置電壓Vreset在重置操作期間可以是基本不變的。
[0055]在任何情況下，可變電阻元件可以具有通過設置操作設置的低電阻狀態LRS和通過重置操作設置的高電阻狀態HRS中的一個，并且保持其之前的電阻狀態直到向其施加了重置電壓Vreset或設置電壓Vset。因此，可變電阻元件可以用作非易失性存儲器件，非易失性存儲器件根據其電阻狀態來儲存不同數據且即使電源關斷也保持儲存的數據。
[0056]當執行讀取操作以讀取儲存在可變電阻元件中的數據時，設置電壓Vset和重置電壓Vreset之間的范圍中的讀取電壓Vread可以被施加到可變電阻元件。由于可變電阻元件的電阻狀態可以通過在之前的寫入操作中已經被寫入在可變電阻元件中的數據來確定，因此如果可變電阻元件儲存I比特數據，則可以根據儲存在可變電阻元件中的數據是對應于第一數據(例如，設置數據)還是對應于第二數據(例如，重置數據)來利用讀取電壓Vread讀取不同的數據。
[0057]再參見圖1A，可變電阻元件的材料層12可以具有包括用在RRAM、PRAM、FRAM、MRAM等中的各種可變電阻材料中的一種或更多種的單層結構或多層結構。可變電阻材料可以包括金屬氧化物(諸如，過渡金屬氧化物)、基于鈣鐵礦的材料、相變材料(諸如，基于硫族化物的材料)、鐵電材料、鐵磁材料等。在此，材料層12的電阻值可以根據導電路徑CP在材料層12中是產生還是消失而改變。即，當電連接第一電極11和第二電極13的導電路徑CP在材料層12中產生時，材料層12可以具有低電阻狀態。另一方面，當導電路徑CP消失時，材料層12可以具有高電阻狀態。例如，材料層12可以包括包含大量氧空位的缺氧金屬氧化物。在這種情況下，可以通過氧空位的移動來形成導電路徑CP。然而，在其他示例中，可以根據材料層12的類型、膜結構、操作特性等通過各種方式來形成導電路徑CP。
[0058]可替換地，材料層12可以具有閾值切換特性，其能夠在小于具有特定量值的閾值電壓的電壓處阻止或幾乎不允許電流流動，而在等于或大于閾值電壓的電壓處允許快速的電流流動。具有閾值切換特性的材料層12可以被稱為閾值切換元件。在圖1C中示例性示出閾值切換元件的電流電壓特性。
[0059]參見圖1C，當施加到閾值切換元件的電壓的量值小于閾值電壓Vth的量值時，閾值切換元件可以處于高電阻狀態。當施加到閾值切換元件的電壓達到閾值電壓Vth時，閾值切換元件的高電阻狀態可以被改變成低電阻狀態。即，閾值切換元件可以處于基于閾值電壓Vth而確定的接通狀態(低電阻狀態)或關斷狀態(高電阻狀態)。閾值切換元件的電阻值可以根據導電路徑在閾值切換元件中是產生還是消失而改變。
[0060]閾值切換元件的電阻狀態首次變為低電阻狀態的操作可以被稱為形成操作。在形成操作期間施加到閾值切換元件的形成電壓Vforming的量值可以大于閾值電壓Vth的量值。這是因為首次產生導電路徑所需的電壓大于執行形成操作之后的操作的電壓。閾值電壓Vth在形成操作之后的后續操作期間可以是基本不變的。
[0061]在任何情況下，閾值切換元件可以具有基于閾值電壓Vth而檢測的電阻變化。閾值切換元件可以根據施加到其的電壓是大于閾值電壓Vth還是小于閾值電壓Vth而分別接通或關斷。與可變電阻元件不同，閾值切換元件不能在電源關斷時保持其電阻狀態，并且不能在同一電壓處具有兩個或更多個電阻狀態。閾值切換元件可以用作耦接到上述可變電阻元件并且控制對可變電阻元件的訪問的選擇元件。在這種情況下，可變電阻元件和耦接到其的閾值切換元件可以形成存儲單元。可替換地，閾值切換元件可以用于易失性存儲器件。
[0062]再參見圖1A，閾值切換元件的材料層12可以包括下列項中的一種或更多種:二極管、雙向閾值切換(OTS)材料(諸如，基于硫族化物的材料)、混合離子電子導電(MIEC)材料(諸如，包含金屬的基于硫族化物的材料)、金屬絕緣體轉變(MIT)材料(諸如，他02或VO2)、具有相對寬的帶隙的隧道絕緣層(諸如，S12S Al2O3)等。閾值切換元件的材料層12可以根據導電路徑CP在材料層12中是產生還是消失來接通或關斷。例如，當材料層12包括選擇性允許電子隧穿的隧道絕緣層時，導電路徑CP可以通過電子的移動而形成。然而，在其他示例中，可以根據材料層12的類型、膜結構、操作特性等通過各種方式來形成導電路徑CP。
[0063]然而，在上述的比較示例的半導體器件中，在材料層12的電阻狀態改變成低電阻狀態的操作(例如，形成操作和/或設置操作)期間，可能出現過多的過沖電流(overshooting current)。圖1D示出在形成操作中出現的過沖電流。過沖電流遠大于合規電流(compliance current)CC0例如，過沖電流可以是合規電流CC的數百倍。
[0064]過沖電流增大了材料層12中形成的導電路徑CP的尺寸。當導電路徑CP的尺寸大時，半導體器件的關斷電流增大，由此增大半導體器件中的泄漏電流。另外，當關斷電流增大時，關斷電流和接通電流之間的差減小。因此，當圖1A中示出的材料層12用于存儲單元時，可以減小數據讀取裕度。結果，圖1A的半導體器件的操作特性可能惡化。
[0065]根據本公開的實施方式，半導體器件能夠通過在操作期間控制過沖電流來產生具有少尺寸的導電路徑，并且，因此減小關斷電流。此后，將參考圖2A至2E更詳細地描述根據一個實施方式的半導體器件。
[0066]圖2A是示出根據一個實施方式的半導體器件的剖視圖，圖2B是用于解釋在圖2A的半導體器件包括可變電阻元件的情況下的操作方法的示圖，圖2C是用于解釋在圖2A的半導體器件包括閾值切換元件的情況下的操作方法的示圖，圖2D是示出在圖2A的半導體器件的形成操作期間的電流流動的示圖，以及圖2E是用于解釋圖2A的半導體器件的第二材料層的特性的示圖。
[0067]參見圖2A，實施方式的半導體器件可以包括第一電極110、位于第一電極110之上并且與第一電極I1間隔開的第二電極130、以及插入在第一電極110和第二電極130之間的第一材料層120。
[0068]第一電極110和第二電極130可以用來將電壓或電流施加到第一材料層120的兩端，并且第一電極110和第二電極130中的每個均具有包括各種導電材料(例如，金屬(諸如W、Al、Ti等)、金屬氮化物(諸如，TiN等)、摻有雜質的半導體材料或它們的組合)中的一種或更多種的單層結構或多層結構。
[0069]在該實施方式中，第一電極110可以包括第一子電極110A、位于第一子電極IlOA之上且與第一子電極IlOA間隔開的第二子電極IlOC以及具有小厚度且插入在第一子電極IlOA和第二子電極IlOC之間的第二材料層110B。第一子電極110A、第二材料層IlOB和第二子電極IlOC布置的方向與第一電極110、第一材料層120和第二電極130布置的方向相同。
[0070]第一子電極IlOA和第二子電極IlOC可以由各種導電材料(諸如，金屬、金屬氮化物和摻有雜質的半導體材料)中的至少一種形成。
[0071]第二材料層IlOB可以由各種絕緣材料(諸如，金屬氧化物、氧化硅和氮化硅)中的至少一種形成。可替換地，第二材料層IlOB可以由具有相對小的帶隙的半導體材料形成。在一個實施方式中，第二材料層IlOB可以具有足夠小的厚度，以使第二材料層IlOB能夠在半導體器件的操作電流處呈現類似歐姆的行為(其中，流入第二材料層IlOB中的電流與施加到第二材料層IlOB的電壓成比例地增大)。這是因為，第二材料層IlOB的電阻值隨著第二材料層IlOB的厚度減小而減小，而不管第二材料層IlOB的類型如何。S卩，薄的第二材料層IlOB可以呈現泄露特性。在一個實施方式中，第二材料層IlOB的厚度可以是3nm或更少。如果第二材料層IlOB的厚度大于特定值，則第二材料層IlOB可以被擊穿并且因此不能用作絕緣層。即，當第二材料層IlOB厚時，第二材料層IlOB可能造成其擊穿。這在圖2E中示例性示出。
[0072]參見圖2，可以通過Imax來表示能夠在半導體器件中使用的最大電流。當特定電壓被施加到薄絕緣層的兩端時，在最大電流Imax或更小的電流(即，在操作電流(見曲線①))處示出類似歐姆的行為。另一方面，當特定電壓被施加到厚絕緣層的兩端時，在操作電流(見曲線②)處示出厚絕緣層的擊穿。在本實施方式中，第二材料層IlOB的厚度可以被控制成小于特定閾值，使得第二材料層IlOB能夠在曲線①中示出的操作電流處呈現類似歐姆的行為。結果，第二材料層IlOB在操作電流處沒有被擊穿。
[0073]再次參見圖2A，在本實施方式中，第一電極110具有第一子電極110A、第二材料層I1B和第二子電極I1C的層疊結構。然而，在另一個實施方式中，是第二電極130而不是第一電極110可以具有第一子電極/絕緣層(或半導體層)/第二子電極的層疊結構。可替換地，第一電極110和第二電極130均可以具有第一子電極/絕緣層(或半導體層)/第二子電極的層疊結構。
[0074]第一材料層120可以與圖1A的材料層12基本上相同。S卩，第一材料層120可以具有可變電阻特性或閾值切換特性。第一材料層120的電阻值也可以根據導電路徑CP在第一材料層120中是產生還是消失而改變。當第一材料層120具有可變電阻特性時，在圖2B中示例性示出半導體器件的電流電壓特性。當第一材料層120具有閾值切換特性時，在圖2C中示例性示出半導體器件的電流電壓特性。
[0075]參見圖2B，本實施方式的半導體器件的電流電壓曲線可以類似于圖1B的電流電壓曲線。在圖2B中，圖1B的電流電壓曲線通過虛線來表示以用于比較。與圖1B的電流電壓曲線相比，圖2B中示出的本實施方式的半導體器件的電流電壓曲線可以降低到OV與設置電壓Vset之間的電壓范圍中以及OV與形成電壓Vforming之間的電壓范圍中的特定電平(見向下箭頭)。這示出在高電阻狀態HRS下流動的電流(S卩，關斷電流)在本實施方式中被進一步減小。
[0076]而且，參見圖2C，本實施方式的半導體器件的電流電壓曲線類似于圖1C的電流電壓曲線。在圖2C中，圖1C的電流電壓曲線通過虛線來表示以用于比較。與圖1C的電流電壓曲線相比，圖2C中示出的本實施方式的半導體器件的電流電壓曲線可以被降低到在OV與閾值電壓Vth之間的電壓范圍中以及在OV與形成電壓Vforming之間的電壓范圍中的特定電平(見向下箭頭)。這示出在高電阻狀態HRS下流動的電流(S卩，關斷電流)在本實施方式中被進一步減小。
[0077]上述本實施方式的半導體器件的關斷電流的減小是由于在第一材料層120的電阻狀態改變成低電阻狀態的操作(例如，形成操作和/或設置操作)期間出現的過沖電流的大量減小。過沖電流的減小是因為:通過在電極中插入是一種電阻組件的薄絕緣層或薄半導體層，減小了第一材料層120的兩端的寄生電容。圖2D示出根據一個實施方式的在形成操作期間出現的過沖電流。過沖電流被顯著減小，因此具有與合規電流CC相似的電平。
[0078]由于過沖電流減小，與圖1A的材料層12中形成的導電路徑CP的尺寸相比，可以顯著減小第一材料層120中形成的導電路徑CP的尺寸。導電路徑CP的尺寸的減小造成關斷電流的減小。結果，可以改善半導體器件的操作特性(諸如，泄漏電流、數據讀取裕度等)。實驗上也證實了關斷電流的減小。例如，圖3C圖示示出關斷電流的減小的實驗結果。這將隨后描述。而且，過沖電流的減小可以減少第一材料層120的物理缺陷，由此改善半導體器件的切換操作的可靠性，例如，耐久特性和保持特性。
[0079]同時，如已經提及的，材料層12或第一材料層120可以具有多層結構。這將參考圖3A至4D示例性描述。
[0080]圖3A是示出根據另一個比較示例的半導體器件的剖視圖，圖3B是示出根據另一個實施方式的半導體器件的剖視圖，以及圖3C是示出在圖3A和3B的半導體器件的操作期間的電流電壓特性的示圖。在此，圖3A和3B的半導體器件均可以包括插入在兩個電極之間的閾值切換元件。
[0081]參見圖3A，比較示例的半導體器件可以包括第一電極31、閾值切換元件和第二電極34。
[0082]在此，閾值切換元件可以具有其中層疊第一層32和第二層33的雙層結構，并且可以通過第一層32和第二層33的組合示出閾值切換特性。可替換地，第一層32和第二層33均可以示出閾值切換特性。例如，第一層32可以是隧道絕緣層，而第二層33可以是OTS材料層、MIEC材料層和MIT材料層中的一個。在這種情況下，當特定正電壓被施加到第一電極31而特定負電壓被施加到第二電極34時，通過電子的隧穿可以在第一層32中形成導電路徑CP。因此，閾值切換元件可以被切換成處于接通狀態。此后，當特定負電壓被施加到第一電極31而特定正電壓被施加到第二電極34時，因為電子反向移動，所以在第一層32中已經產生的導電路徑CP可以消失。因此，閾值切換元件可以切換成處于關斷狀態。
[0083]參見圖3B，本實施方式的半導體器件可以包括第一電極310、閾值切換元件和第二電極340。閾值切換元件可以具有其中層疊第一層320和第二層330的雙層結構。在此，閾值切換元件、第二電極340和半導體器件的操作方法可以與圖3A的比較示例的閾值切換元件、第二電極和半導體器件的操作方法基本相同。然而，第一電極310的結構與圖3A的第一電極31的結構不同。
[0084]具體來說，第一電極310可以包括第一子電極310A、薄絕緣層310B和第二子電極310C。可以使用薄半導體層來代替薄絕緣層310B。因此，可以在與第一電極310相鄰且用作隧道絕緣層的第一層320中形成導電路徑CP，所述導電路徑CP通過電子的隧穿來形成并且與圖3A的比較示例的導電路徑CP相比具有較小的尺寸。結果，可以減小閾值切換元件的關斷電流。這也由圖3C示出的實驗結果確認。
[0085]參見圖3C，曲線②示出比較示例的閾值切換元件的示例的電流電壓特性。在該示例中，半導體器件通過順序層疊TiN層、Al2O3層、NbO 2層和TiN層而形成。TiN層可以分別對應于第一電極31和第二電極34。Al2O3層可以對應于隧道絕緣層32，以及NbOjl可以對應于MIT材料層33。
[0086]曲線③示出本實施方式的閾值切換元件的示例的電流電壓特性。在這個示例中，半導體器件包括作為第一電極310的TiN層、HfOJl和TiN層的層疊結構，并且包括與圖3A中示出的比較示例的閾值切換元件32和33以及第二電極34相同的組件。第一電極310的兩個TiN層可以分別對應于第一子電極310A和第二子電極310C。HfOjl可以對應于絕緣層310B。
[0087]當比較曲線②與曲線③時，與曲線②相比，曲線③的高阻狀態中的電流可以降低。因此，具有曲線③的電流電壓特性的閾值切換元件可以具有比具有曲線②的電流電壓特性的閾值切換元件的關斷電流小的關斷電流。此外，示出電流電壓曲線③的閾值切換元件可以在約0.7V的電壓處具有約89nA的關斷電流，由此滿足關斷電流目標。另一方面，示出電流電壓曲線②的閾值切換元件具有不滿足關斷電流目標的較高的關斷電流。結果，示出電流電壓曲線③的閾值切換元件的泄漏電流可以減小。此外，由于HfOJl具有造成熱絕緣效應的低熱導率，因此實現以低功率工作的閾值切換元件是可能的。
[0088]作為參考，曲線①示出包括TiN/Hf02/TiN層的層疊結構的第一電極310的電流電壓特性。曲線①示出在數μΑ或更少的操作電流處的類似歐姆的行為。
[0089]圖4Α是示出根據又一個比較示例的半導體器件的剖視圖，圖4Β是示出在圖4Α的半導體器件的操作期間的電流電壓特性的示圖，圖4C是示出根據又一個實施方式的半導體器件的剖視圖，以及圖4D是示出在圖4C的半導體器件的操作期間的電流電壓特性的示圖。在此，圖4Α和4C的半導體器件均可以包括插入在兩個電極之間的可變電阻元件。
[0090]參見圖4Α，比較示例的半導體器件可以包括第一電極45、可變電阻元件和第二電極48。
[0091]在此，可變電阻元件可以具有其中層疊第一層46和第二層47的雙層結構，并且可以通過第一層46和第二層47的組合來示出可變電阻特性。可替換地，第一層46和第二層47均可以示出可變電阻特性。例如，第二層47可以是包含大量氧空位的缺氧金屬氧化物層，而第一層46與第二層47相比可以是包含大量氧的富氧金屬氧化物層。缺氧金屬氧化物層可以由與滿足化學計量比的材料相比缺少氧的材料形成。例如，缺氧金屬氧化物層可以包括:Ti0x，其中X小于2 ;Ta0y，其中y小于2.5 ;或HfOz，其中z小于2。富氧金屬氧化物層可以由滿足化學計量比的材料形成。例如，富氧金屬氧化物層可以包括Ti02、Ta205、HfO2等中的一個或更多個。在這種情況下，當特定負電壓被施加到第一電極45而特定正電壓被施加到第二電極48時，因為缺氧金屬氧化物層47的氧空位被注入到富氧金屬氧化物層46中，所以可以通過氧空位在富氧金屬氧化物層46中形成導電路徑CP。因此，可變電阻元件可以被切換成處于低電阻狀態。此后，當特定正電壓被施加到第一電極45而特定負電壓被施加到第二電極48時，因為氧空位朝著缺氧金屬氧化物層47移動，所以在富氧金屬氧化物層46中已經產生的導電路徑CP可以消失。因此，可變電阻元件可以切換成處于高電阻狀
??τ O
[0092]參見圖4C，本實施方式的半導體器件可以包括第一電極450、可變電阻元件460和470以及第二電極480。在此，可變電阻元件460和470、第二電極480以及半導體器件的操作方法可以與圖4Α的比較示例的可變電阻元件、第二電極以及半導體器件的操作方法基本相同。然而，第一電極450的結構與圖4Α的比較示例的第一電極的結構不同。
[0093]具體來說，第一電極450可以包括第一子電極450Α、薄絕緣層450Β以及第二子電極450C。可以使用薄半導體層來代替薄絕緣層450Β。因此，可以在與第一電極450相鄰且由富氧金屬氧化物形成的第一層460中形成導電路徑CP，所述導電路徑CP由氧空位形成并且與圖4Α的比較示例的導電路徑相比具有更小的尺寸。結果，可以減小可變電阻元件的關斷電流。這也由圖4B和4D中不出的實驗結果證實。
[0094]當比較圖4B與圖4D時，與圖4B中示出的高電阻狀態中的電流相比，圖4D的高電阻狀態中的電流可以降低。因此，圖4D的可變電阻元件可以具有比圖4B的可變電阻元件的關斷電流小的關斷電流。因此，也可以減小關斷狀態中的可變電阻元件的泄漏電流。而且，與圖4B的可變電阻元件的接通電流和關斷電流之間的差相比，圖4D的可變電阻元件的接通電流和關斷電流之間的差可以增大。因此，可以增大讀取裕度。
[0095]同時，彼此耦接的可變電阻元件和閾值切換元件可以形成存儲單元。這將參考圖5A至來示例性地描述。
[0096]圖5A是示出根據又一個比較示例的半導體器件的剖視圖，圖5B是示出在圖5A的半導體器件的操作期間的電流電壓特性的示圖，圖5C是示出根據又一個實施方式的半導體器件的剖視圖，以及圖f5D是示出在圖5C的半導體器件的操作期間的電流電壓特性的示圖。在此，圖5A和5C的半導體器件均可以包括其中可變電阻元件和閾值切換元件彼此串聯親接的存儲單元。
[0097]參見圖5A，比較示例的存儲單元可以包括:第一電極至第三電極55、58和54，沿例如層疊方向的方向布置以彼此間隔開；可變電阻元件，插入在第一電極55和第二電極58之間；以及閾值切換元件，插入在第二電極58和第三電極54之間。
[0098]可變電阻元件可以具有其中層疊第一層56和第二層57的雙層結構，并且可以通過第一層56和第二層57的組合來示出可變電阻特性。可替換地，第一層56和第二層57均可以示出可變電阻特性。例如，第二層57可以是包含大量氧空位的缺氧金屬氧化物層，而第一層56與第二層57相比可以是包含大量氧的富氧金屬氧化物層。在此，在是富氧金屬氧化物層的第一層56中可以出現導電路徑CP的產生或消失。
[0099]閾值切換元件可以具有其中層疊第一層52和第二層53的雙層結構，并且可以通過第一層52和第二層53的組合來示出閾值切換特性。可替換地，第一層52和第二層53均可以示出閾值切換特性。例如，第一層52可以是隧道絕緣層，而第二層53可以是與隧道絕緣層不同的閾值切換材料層。在此，在是隧道絕緣層的第一層52中可以出現導電路徑CP的產生或消失。
[0100]參見圖5C，本實施方式的存儲單元可以包括:第一電極至第三電極550、580和540，沿例如層疊方向的方向布置以彼此間隔開；可變電阻元件，插入在第一電極550和第二電極580之間；以及閾值切換元件，插入在第二電極580和第三電極540之間。
[0101]圖5C的可變電阻元件可以與圖5A的可變電阻元件基本相同。S卩，圖5C的可變電阻元件可以具有其中層疊第一層560和第二層570的雙層結構，并且可以通過第一層560和第二層570的組合來示出可變電阻特性。然而，由于第一電極550具有第一子電極550A、薄絕緣層550B和第二子電極550C的層疊結構，因此與圖5A的可變電阻元件相比，第一層560中產生的導電路徑CP的尺寸可以減小。
[0102]而且，圖5C的閾值切換元件可以與圖5A的閾值切換元件基本相同。S卩，圖5C的閾值切換元件可以具有其中層疊第一層520和第二層530的雙層結構，并且可以通過第一層520和第二層530的組合來示出閾值切換特性。然而，由于第二電極580具有第一子電極580A、薄絕緣層580B和第二子電極580C的層疊結構，因此與圖5A的閾值切換元件相比，第一層520中產生的導電路徑CP的尺寸可以減小。
[0103]結果，與圖5A的存儲單元相比，圖5C的存儲單元可以具有減小的關斷電流和增大的數據讀取裕度。這也由圖5B和的實驗結果證實。
[0104]當比較圖5B與時，與圖5B示出的高電阻狀態中的電流相比，圖的高電阻狀態中的電流可以降低。因此，圖f5D的存儲單元可以具有比圖5B的存儲單元的關斷電流小的關斷電流。因此，關斷狀態中的存儲單元的泄漏電流可以減小。而且，與圖5B的存儲單元中的接通電流和關斷電流之間的差相比，圖f5D的存儲單元中的接通電流和關斷電流之間的差可以增大。因此，可以增大讀取裕度。
[0105]在本實施方式中，第一電極550和第二電極580均具有第一子電極/薄絕緣層/第二子電極的層疊結構。在另一個實施方式中，第一電極至第三電極550、580和540中的至少一個可以具有第一子電極/薄絕緣層/第二子電極的層疊結構。在又一個實施方式中，第二電極580可以省略，因此可變電阻元件可以與閾值切換元件直接接觸。
[0106]由于上述半導體器件具有低的關斷電流特性，因此容易實現圖6的交叉點單元陣列。
[0107]圖6是用于解釋根據一個實施方式的存儲單元陣列的透視圖。
[0108]參見圖6，本實施方式的存儲單元陣列可以具有交叉點結構，該交叉點結構包括:多個第一線LI，沿第一方向延伸；多個第二線L2，布置在第一線LI之上且沿與第一方向相交的第二方向延伸；以及多個存儲單元MC，分別布置在第一線LI和第二線L2之間且布置在第一線LI和第二線L2的交點處。
[0109]在此，存儲單元MC中的每個可以包括圖2A、3B、4C和5C中示出的結構中的一個。具體來說，當存儲單元MC包括圖5C的結構時，由于圖5C的半導體器件具有最低的關斷電流，因此將在交叉點結構中出現的泄漏電流最小化是可能的。
[0110]基于所公開的技術的以上和其他存儲電路或半導體器件能夠用在一系列設備或系統中。圖7至圖11提供能夠實現根據本文公開的實施例的存儲電路的設備或系統的一些示例。
[0111]圖7示出基于所公開的技術的實現存儲電路的微處理器。
[0112]參照圖7，微處理器1000可以執行用于控制和調節下面一系列過程的任務:從各種外部設備接收數據、處理數據、以及將處理結果輸出到外部設備。微處理器1000可以包括存儲單元1010、操作單元1020、控制單元1030等。微處理器1000可以是各種數據處理單元(諸如，中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、數字信號處理器(DSP)和應用處理器(AP))ο
[0113]存儲單元1010是儲存微處理器1000中的數據的部件，如處理器寄存器、寄存器等。存儲單元1010可以包括數據寄存器、地址寄存器、浮點寄存器等。此外，存儲單元1010可以包括各種寄存器。存儲單元1010可以執行以下功能:暫時儲存要由操作單元1020對其執行操作的數據、執行操作的結果數據以及儲存用于操作的執行的數據的地址。
[0114]存儲單元1010可以包括根據實施例的上述半導體器件中的一個或更多個。例如，存儲單元1010可以包括:第一電極和第二電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第一材料層，插入在第一電極和第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，其中，第一電極和第二電極中的至少一個包括:第一子電極和第二子電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第二材料層，插入在第一子電極和第二子電極之間且具有在操作電流下示出類似歐姆的行為的厚度。由此，可以改善存儲單元1010的操作特性和可靠性。結果，可以改善微處理器1000的操作特性和可靠性。
[0115]操作單元1020可以根據控制單元1030對命令譯碼的結果來執行四則算術運算或邏輯運算。操作單元1020可以包括至少一個算術邏輯單元(ALU)等。
[0116]控制單元1030可以從存儲單元1010、操作單元1020和微處理器1000的外部設備接收信號，執行命令的提取、命令的譯碼以及微處理器1000的信號的控制輸入和輸出，以及執行由程序表示的處理。
[0117]根據該實施例的微處理器1000可以額外地包括高速緩沖存儲單元1040，其能夠暫時儲存要從除了存儲單元1010以外的外部設備輸入或者要輸出到外部設備的數據。在這種情況下，高速緩沖存儲單元1040可以通過總線接口 1050與存儲單元1010、操作單元1020和控制單元1030交換數據。
[0118]圖8示出基于所公開的技術的實現存儲電路的處理器。
[0119]參照圖8，處理器1100可以通過包括除了微處理器的功能之外的各種功能來改進性能并且實現多功能，所述微處理器執行用于控制和調節下面一系列過程的任務:從各種外部設備接收數據，處理數據，以及將處理結果輸出到外部設備。處理器1100可以包括用作微處理器的核心單元1110、用于暫時儲存數據的高速緩沖存儲單元1120以及用于在內部設備和外部設備之間傳輸數據的總線接口 1130。處理器1100可以包括各種片上系統(SoC)(諸如，多核處理器、圖形處理單元(GPU)和應用處理器(AP))。
[0120]該實施例的核心單元1110是對從外部設備輸入的數據執行算術邏輯運算的部件，并且可以包括存儲單元1111、操作單元1112和控制單元1113。
[0121]存儲單元1111是儲存處理器1100中的數據的部件，如處理器寄存器、寄存器等。存儲單元1111可以包括數據寄存器、地址寄存器、浮點寄存器等。此外，存儲單元1111可以包括各種寄存器。存儲單元1111可以執行以下功能:暫時儲存要由操作單元1112對其執行操作的數據、執行操作的結果數據以及儲存用于操作的執行的數據的地址。操作單元1112是執行處理器1100中的操作的部件。操作單元1112可以根據控制單元1113對命令譯碼的結果等來執行四則算術運算、邏輯運算。操作單元1112可以包括至少一個算術邏輯單元(ALU)等。控制單元1113可以從存儲單元1111、操作單元1112和處理器1100的外部設備接收信號，執行命令的提取、命令的譯碼以及處理器1100的信號的控制輸入和輸出，以及執行由程序表示的處理。
[0122]高速緩沖存儲單元1120是暫時儲存數據以補償以高速操作的核心單元1110和以低速操作的外部設備之間的數據處理速度的差的部件。高速緩沖存儲單元1120可以包括主儲存部1121、次級儲存部1122和三級儲存部1123。通常，高速緩沖存儲單元1120包括主儲存部1121和次級儲存部1122，并且在需要高儲存容量的情況下可以包括三級儲存部1123。根據場合需要，高速緩沖存儲單元1120可以包括增加數目的儲存部。也就是說，高速緩沖存儲單元1120中包括的儲存部的數目可以根據設計而改變。主儲存部1121、次級儲存部1122和三級儲存部1123儲存和鑒別數據的速度可以相同或不同。在各個儲存部1121、1122和1123的速度不同的情況下，主儲存部1121的速度可以是最大的。高速緩沖存儲單元1120的主儲存部1121、次級儲存部1122和三級儲存部1123中的至少一個儲存部可以包括根據實施例的上述半導體器件中的一個或更多個。例如，高速緩沖存儲單元1120可以包括:第一電極和第二電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第一材料層，插入在第一電極和第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，其中，第一電極和第二電極中的至少一個包括:第一子電極和第二子電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第二材料層，插入在第一子電極和第二子電極之間且具有在操作電流下示出類似歐姆的行為的厚度。由此，可以改善高速緩沖存儲單元1120的操作特性和可靠性。結果，可以改善處理器1100的操作特性和可靠性。
[0123]盡管在圖8中示出所有的主儲存部1121、次級儲存部1122和三級儲存部1123都配置在高速緩沖存儲單元1120的內部，但要注意，高速緩沖存儲單元1120的所有的主儲存部1121、次級儲存部1122和三級儲存部1123都可以配置在核心單元1110的外部并且可以補償核心單元1110和外部設備之間的數據處理速度的差。同時，要注意，高速緩沖存儲單元1120的主儲存部1121可以設置在核心單元1110的內部，而次級儲存部1122和三級儲存部1123可以配置在核心單元1110的外部以加強補償數據處理速度的差的功能。在另一實施例中，主儲存部1121和次級儲存部1122可以設置在核心單元1110的內部，而三級儲存部1123可以設置在核心單元1110的外部。
[0124]總線接口 1130是連接核心單元1110、高速緩沖存儲單元1120和外部設備并且允許高效地傳輸數據的部件。
[0125]根據該實施例的處理器1100可以包括多個核心單元1110，并且多個核心單元1110可以共享高速緩沖存儲單元1120。多個核心單元1110和高速緩沖存儲單元1120可以直接連接或者通過總線接口 1130連接。多個核心單元1110可以以與核心單元1110的上述配置相同的方式進行配置。在處理器1100包括多個核心單元1110的情況下，高速緩沖存儲單元1120的主儲存部1121可以與多個核心單元1110的數目對應地配置在每個核心單元1110中，而次級儲存部1122和三級儲存部1123可以配置在多個核心單元1110的外部，以便通過總線接口 1130被共享。主儲存部1121的處理速度可以大于次級儲存部1122和三級儲存部1123的處理速度。在另一個實施例中，主儲存部1121和次級儲存部1122可以與多個核心單元1110的數目對應地配置在每個核心單元1110中，而三級儲存部1123可以配置在多個核心單元1110的外部，以便通過總線接口 1130被共享。
[0126]根據該實施例的處理器1100可以進一步包括:嵌入式存儲單元1140，儲存數據；通信模塊單元1150，能夠以有線或無線方式將數據傳輸到外部設備以及從外部設備接收數據；存儲器控制單元1160，驅動外部存儲器件；以及媒介處理單元1170，對處理器1100中處理的數據或者從外部輸入設備輸入的數據進行處理并且將處理后的數據輸出到外部接口設備；等。此外，處理器1100可以包括多個不同模塊和器件。在這種情況下，被添加的多個模塊可以通過總線接口 1130與核心單元1110和高速緩沖存儲單元1120交換數據并且彼此交換數據。
[0127]嵌入式存儲單元1140不僅可以包括易失性存儲器，而且可以包括非易失性存儲器。易失性存儲器可以包括動態隨機存取存儲器(DRAM)、移動DRAM、靜態隨機存取存儲器(SRAM)和具有與上述存儲器相似的功能的存儲器等。非易失性存儲器可以包括只讀存儲器(R0M)、或非(NOR)閃速存儲器、與非(NAND)閃速存儲器、相變隨機存取存儲器(PRAM)、電阻隨機存取存儲器(RRAM)、自旋轉移矩隨機存取存儲器(STTRAM)、磁性隨機存取存儲器(MRAM)、具有相似功能的存儲器。
[0128]通信模塊單元1150可以包括能夠與有線網絡連接的模塊、能夠與無線網絡連接的模塊以及這兩種模塊。有線網絡模塊可以包括局域網(LAN)、通用串行總線(USB)、以太網、電力線通信(PLC)，諸如通過傳輸線路來發送和接收數據的各種設備，等。無線網絡模塊可以包括紅外數據協議(IrDA)、碼分多址(CDMA)、時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、無線LAN、無線個域網(Zigbee)、泛在傳感器網絡(USN)、藍牙、射頻識別(RFID)、長期演進(LTE)、近場通信(NFC)、無線寬帶互聯網(Wibro)、高速下行鏈路分組接入(HSDPA)、寬帶CDMA(WCDMA)、超寬帶(UWB)，諸如不通過傳輸線路來發送和接收數據的各種設備，等。
[0129]存儲器控制單元1160管理和處理在處理器1100和根據不同通信標準操作的外部儲存器件之間傳輸的數據。存儲器控制單元1160可以包括各種存儲器控制器，例如，可以控制集成設備電子(IDE)、串行高級技術附件(SATA)、小型計算機系統接口(SCSI)、獨立磁盤冗余陣列(RAID)、固態盤(SSD)、外部SATA(eSATA)、個人計算機存儲卡國際協會(PCMCIA)、通用串行總線(USB)、安全數字(SD)卡、迷你安全數字(mSD)卡、微型安全數字(mirco SD)卡、安全數字高容量(SDHC)卡、記憶棒卡、智能媒體(SM)卡、多媒體卡(MMC)、嵌入式MMC(eMMC)、緊湊閃存(CF)卡等的設備。
[0130]媒介處理單元1170可以對處理器1100中處理的數據或以圖像、語音和其他形式從外部輸入設備輸入的數據進行處理并且將數據輸出到外部接口設備。媒介處理單元1170可以包括圖形處理單元(GPU)、數字信號處理器(DSP)、高保真音頻器件(HD aud1)、高保真多媒體接口(HDMI)控制器等。
[0131]圖9示出基于所公開的技術的實現存儲電路的系統。
[0132]參照圖9，作為用于處理數據的裝置的系統1200可以執行輸入、處理、輸出、通信、儲存等以進行數據的一系列操作。系統1200可以包括處理器1210、主存儲器件1220、輔助存儲器件1230、接口設備1240等。該實施例的系統1200可以是使用處理器進行操作的各種電子系統(諸如，計算機、服務器、個人數字助理(PDA)、便攜式計算機、上網本、無線電話、移動電話、智能電話、數字音樂播放器、便攜式媒體播放器(PMP)、相機、全球定位系統(GPS)、視頻相機、語音記錄器、遠程信息處理裝置、音頻視覺(AV)系統、智能電視等)。
[0133]處理器1210可以對輸入的命令譯碼，并且處理儲存在系統1200中的數據的操作、比較等，并且控制這些操作。處理器1210可以包括微處理器單元(MPU)、中央處理單元(CPU)、單核/多核處理器、圖形處理單元(GPU)、應用處理器(AP)、數字信號處理器(DSP)等。
[0134]主存儲器件1220是能夠在執行程序時暫時儲存、調用和執行來自輔助存儲器件1230的程序代碼或數據并且即使在電源切斷時仍能夠保存存儲的內容的儲存器件。主存儲器件1220可以包括根據實施例的上述半導體器件中的一個或更多個。例如，主存儲器件1220可以包括:第一電極和第二電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第一材料層，插入在第一電極和第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，其中，第一電極和第二電極中的至少一個包括:第一子電極和第二子電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第二材料層，插入在第一子電極和第二子電極之間且具有在操作電流下示出類似歐姆的行為的厚度。由此，可以改善主存儲器件1220的操作特性和可靠性。結果，可以改善系統1200的操作特性和可靠性。
[0135]而且，主存儲器件1220可以進一步包括在電源切斷時擦除所有內容的易失性存儲器類型的靜態隨機存取存儲器(SRAM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)等。與此不同，主存儲器件1220可以不包括根據實施例的半導體器件，但是可以包括在電源切斷時擦除所有內容的易失性存儲器類型的靜態隨機存取存儲器(SRAM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)等。
[0136]輔助存儲器件1230是用于儲存程序代碼或數據的存儲器件。盡管輔助存儲器件1230的速度慢于主存儲器件1220，但是輔助存儲器件1230可以儲存更大量的數據。輔助存儲器件1230可以包括:第一電極和第二電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第一材料層，插入在第一電極和第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，其中，第一電極和第二電極中的至少一個包括:第一子電極和第二子電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第二材料層，插入在第一子電極和第二子電極之間且具有在操作電流下示出類似歐姆的行為的厚度。由此，可以改善輔助存儲器件1230的操作特性和可靠性。結果，可以改善系統1200的操作特性和可靠性。
[0137]而且，輔助存儲器件1230可以進一步包括數據儲存系統(參見圖10的附圖標記1300)(諸如，使用磁性的磁帶、磁盤、使用光學的激光盤、使用磁性和光學二者的磁光盤、固態盤(SSD)、USB存儲器(通用串行總線存儲器)、安全數字(SD)卡、迷你安全數字(mSD)卡、微型安全數字(mirco SD)卡、安全數字高容量(SDHC)卡、記憶棒卡、智能媒體(SM)卡、多媒體卡(MMC)、嵌入式MMC(eMMC)、緊湊閃存(CF)卡等)。與此不同，輔助存儲器件1230可以不包括根據實施例的半導體器件，但是可以包括數據儲存系統(參見圖10的附圖標記1300)(諸如，使用磁性的磁帶、磁盤、使用光學的激光盤、使用磁性和光學二者的磁光盤、固態盤(SSD)、USB存儲器(通用串行總線存儲器)、安全數字(SD)卡、迷你安全數字(mSD)卡、微型安全數字(mirco SD)卡、安全數字高容量(SDHC)卡、記憶棒卡、智能媒體(SM)卡、多媒體卡(MMC)、嵌入式MMC (eMMC)、緊湊閃存(CF)卡等)。
[0138]接口設備1240可以執行該實施例的系統1200和外部設備之間的命令和數據的交換。接口設備1240可以是小鍵盤(keypad)、鍵盤、鼠標、揚聲器、麥克風、顯示器、各種人機接口設備(HID)、通信設備等。通信設備可以包括能夠與有線網絡連接的模塊、能夠與無線網絡連接的模塊以及這兩種模塊。有線網絡模塊可以包括局域網(LAN)、通用串行總線(USB)、以太網、電力線通信(PLC)，諸如通過傳輸線路來發送和接收數據的各種設備，等。無線網絡模塊可以包括紅外數據協議(IrDA)、碼分多址(CDMA)、時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、無線LAN、無線個域網(Zigbee)、泛在傳感器網絡(USN)、藍牙、射頻識別(RFID)、長期演進(LTE)、近場通信(NFC)、無線寬帶互聯網(Wibro)、高速下行鏈路分組接入(HSDPA)、寬帶CDMA(WCDMA)、超寬帶(UWB)，諸如不通過傳輸線路來發送和接收數據的各種設備，等。
[0139]圖10示出基于所公開的技術的實現存儲電路的數據儲存系統。
[0140]參照圖10，數據儲存系統1300可以包括作為用于儲存數據的組件的具有非易失特性的儲存器件1310、控制儲存器件1310的控制器1320、用于與外部設備連接的接口1330、以及用于暫時儲存數據的暫時儲存器件1340。數據儲存系統1300可以是盤類型(諸如，硬盤驅動器(HDD)、緊湊盤只讀存儲器(⑶R0M)、數字化通用磁盤(DVD)、固態盤(SSD)等)，以及卡類型(諸如，USB存儲器(通用串行總線存儲器)、安全數字(SD)卡、迷你安全數字(mSD)卡、微型安全數字(mirco SD)卡、安全數字高容量(SDHC)卡、記憶棒卡、智能媒體(SM)卡、多媒體卡(MMC)、嵌入式MMC (eMMC)、緊湊閃存(CF)卡等)。
[0141]儲存器件1310可以包括半永久地儲存數據的非易失性存儲器。非易失性存儲器可以包括只讀存儲器(ROM)、NOR閃速存儲器、NAND閃速存儲器、相變隨機存取存儲器(PRAM)、電阻隨機存取存儲器(RRAM)、磁性隨機存取存儲器(MRAM)等。
[0142]控制器1320可以控制儲存器件1310和接口 1330之間的數據交換。為了此目的，控制器1320可以包括用于執行操作的處理器1321，所述操作用于處理通過接口 1330從數據儲存系統1300的外部輸入的命令等。
[0143]接口 1330執行數據儲存系統1300與外部設備之間的命令和數據的交換。在數據儲存系統1300是卡類型的情況下，接口 1330可以與設備(諸如，USB存儲器(通用串行總線存儲器)、安全數字(SD)卡、迷你安全數字(mSD)卡、微型安全數字(mirco SD)卡、安全數字高容量(SDHC)卡、記憶棒卡、智能媒體(SM)卡、多媒體卡(MMC)、嵌入式MMC(eMMC)、緊湊閃存(CF)卡等)中使用的接口兼容，或者可以與類似于上述設備的設備中使用的接口兼容。在數據儲存系統1300是盤類型的情況下，接口 1330可以與諸如集成設備電子(IDE)、串行高級技術附件(SATA)、小型計算機系統接口(SCSI)、外部SATA(eSATA)、個人計算機存儲卡國際協會(PCMCIA)、通用串行總線(USB)等的接口兼容，或者可以與類似于上述接口的接口兼容。接口 1330可以與彼此具有不同類型的一個或更多個接口兼容。
[0144]暫時儲存器件1340能夠暫時儲存數據，以用于根據與外部設備、控制器和系統的接口的多樣性和高性能而在接口 1330和儲存器件1310之間高效地傳送數據。用于暫時儲存數據的暫時儲存器件1340可以包括根據實施例的上述半導體器件中的一個或更多個。暫時儲存器件1340可以包括:第一電極和第二電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第一材料層，插入在第一電極和第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，其中，第一電極和第二電極中的至少一個包括:第一子電極和第二子電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第二材料層，插入在第一子電極和第二子電極之間且具有在操作電流下示出類似歐姆的行為的厚度。由此，可以改善暫時儲存器件1340的操作特性和可靠性。結果，可以改善數據儲存系統1300的操作特性和可靠性。
[0145]圖11示出基于所公開的技術的實現存儲電路的存儲系統。
[0146]參照圖11，存儲系統1400可以包括作為用于儲存數據的組件的具有非易失特性的存儲器1410、控制存儲器1410的存儲器控制器1420、用于與外部設備連接的接口 1430等。存儲系統1400可以是卡類型(諸如，固態盤(SSD)、USB存儲器(通用串行總線存儲器)、安全數字(SD)卡、迷你安全數字(mSD)卡、微型安全數字(mirco SD)卡、安全數字高容量(SDHC)卡、記憶棒卡、智能媒體(SM)卡、多媒體卡(MMC)、嵌入式MMC(eMMC)、緊湊閃存(CF)卡等)。
[0147]用于儲存數據的存儲器1410可以包括根據實施例的上述半導體器件中的一個或更多個。例如，存儲器1410可以包括:第一電極和第二電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第一材料層，插入在第一電極和第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，其中，第一電極和第二電極中的至少一個包括:第一子電極和第二子電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第二材料層，插入在第一子電極和第二子電極之間且具有在操作電流下示出類似歐姆的行為的厚度。由此，可以改善存儲器1410的操作特性和可靠性。結果，可以改善存儲系統1400的操作特性和可靠性。
[0148]而且，根據該實施例的存儲器1410可以進一步包括具有非易失特性的只讀存儲器(ROM)、N0R閃速存儲器、NAND閃速存儲器、相變隨機存取存儲器(PRAM)、電阻隨機存取存儲器(RRAM)、磁隨機存取存儲器(MRAM)等。
[0149]存儲器控制器1420可以控制存儲器1410和接口 1430之間的數據交換。為了此目的，存儲器控制器1420可以包括用于執行操作的處理器1421，所述操作用于處理通過接口 1430從存儲系統1400的外部輸入的命令。
[0150]接口 1430執行存儲系統1400與外部設備之間的命令和數據的交換。接口 1430可以與設備(諸如，USB存儲器(通用串行總線存儲器)、安全數字(SD)卡、迷你安全數字(mSD)卡、微型安全數字(mirco SD)卡、安全數字高容量(SDHC)卡、記憶棒卡、智能媒體(SM)卡、多媒體卡(MMC)、嵌入式MMC(eMMC)、緊湊閃存(CF)卡等)中使用的接口兼容，或者可以與類似于上述設備的設備中使用的接口兼容。接口 1430可以與彼此具有不同類型的一個或更多個接口兼容。
[0151]根據該實施例的存儲系統1400可以進一步包括緩沖存儲器1440，用于根據與外部設備、存儲器控制器和存儲系統的接口的多樣性和高性能而在接口 1430和存儲器1410之間高效地傳送數據。例如，用于暫時存儲數據的緩沖存儲器1440可以包括根據實施例的上述半導體器件中的一個或更多個。緩沖存儲器1440可以包括:第一電極和第二電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第一材料層，插入在第一電極和第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，其中，第一電極和第二電極中的至少一個包括:第一子電極和第二子電極，被布置為在第一方向上彼此間隔開；以及第二材料層，插入在第一子電極和第二子電極之間且具有在操作電流下示出類似歐姆的行為的厚度。由此，可以改善緩沖存儲器1440的操作特性和可靠性。結果，可以改善存儲系統1400的操作特性和可靠性。
[0152]此外，根據該實施例的緩沖存儲器1440可以進一步包括具有易失特性的靜態隨機存取存儲器(SRAM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)等，以及具有非易失特性的相變隨機存取存儲器(PRAM)、電阻隨機存取存儲器(RRAM)、自旋轉移矩隨機存取存儲器(STTRAM)、磁性隨機存取存儲器(MRAM)等。與此不同，緩沖存儲器1440可以不包括根據實施例的半導體器件，但是可以包括具有易失特性的靜態隨機存取存儲器(SRAM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)等，以及具有非易失特性的相變隨機存取存儲器(PRAM)、電阻隨機存取存儲器(RRAM)、自旋轉移矩隨機存取存儲器(STTRAM)、磁性隨機存取存儲器(MRAM)等。
[0153]基于根據本文中公開的實施例的存儲器件的圖7至圖11中的電子設備或系統的以上示例中的特征可以在各種設備、系統或應用中實現。一些示例包括移動電話或其他便攜式通信設備、平板計算機、筆記本型或膝上型計算機、游戲機、智能電視機、電視機頂盒、多媒體服務器、具有或不具有無線通信功能的數字相機、具有無線通信能力的腕表或其他可穿戴設備。
[0154]盡管本專利文獻包含許多細節，但是這些細節不應被解釋為對任何發明的范圍或可以要求保護的范圍的限制，而是應被解釋為可以針對特定發明的特定實施例的特征的描述。在分離的實施例的背景下在本公開中描述的某些特征也能夠在單個實施例中以組合實現。相反地，在單個實施例的背景下描述的各種特征也能夠分離地在多個實施例中實現或者以任何適當的子組合實現。另外，盡管上文將特征描述為以某些組合發揮作用并且甚至因而在最初時要求保護，但是來自要求保護的組合的一個或更多個特征能夠在一些情況下從該組合去除，并且要求保護的組合可以涉及子組合或者子組合的變型。
[0155]相似地，盡管操作在附圖中以特定順序示出，但是這不應被理解為需要以所示的特定順序或者以相繼順序執行這些操作，或者執行所有示出的操作，以實現期望的結果。另夕卜，本專利文獻中描述的實施例中的各種系統組件的分離不應被理解為在所有實施例中都需要這種分離。
[0156]僅描述了若干實現方案和示例。基于本公開中描述和圖示的內容能夠做出其他實現、增強和變型。
[0157]通過以上實施例可以看出，本發明提供以下技術方案。
[0158]技術方案1.一種電子設備，包括半導體單元，所述半導體單元包括:
[0159]第一電極和第二電極，在第一方向上彼此間隔開；以及
[0160]第一材料層，插入在第一電極與第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性，
[0161]其中，第一電極或第二電極或第一電極和第二電極二者包括:
[0162]第一子電極和第二子電極，在第一方向上彼此間隔開；以及
[0163]第二材料層，插入在第一子電極與第二子電極之間，并且具有足夠小的厚度以使第二材料層能夠在半導體單元的操作電流處對流入其中的電流呈現類似歐姆的行為。
[0164]技術方案2.根據技術方案I所述的電子設備，其中第二材料層在操作電流處沒有被擊穿。
[0165]技術方案3.根據技術方案I所述的電子設備，其中第二材料層包括絕緣材料或半導體材料。
[0166]技術方案4.根據技術方案I所述的電子設備，其中第二材料層包括HfOjl。
[0167]技術方案5.根據技術方案I所述的電子設備，其中第一材料層具有根據導電路徑在第一層材料層中是產生還是消失而改變的電阻值。
[0168]技術方案6.根據技術方案I所述的電子設備，其中第一材料層具有包括金屬氧化物、相變材料、鐵電材料和鐵磁材料中的至少一種的單層結構或多層結構。
[0169]技術方案7.根據技術方案I所述的電子設備，其中第一材料層具有單層結構或多層結構，第一材料層包括二極管、雙向閾值切換OTS材料、混合離子電子導電MIEC材料、金屬絕緣體轉變MIT材料、隧道絕緣材料中的至少一個。
[0170]技術方案8.根據技術方案I所述的電子設備，其中第一材料層包括其中缺氧金屬氧化物層和富氧金屬氧化物層沿第一方向布置的層疊結構。
[0171]技術方案9.根據技術方案8所述的電子設備，其中第一電極包括第一子電極、第二材料層和第二子電極；以及
[0172]其中富氧金屬氧化物層與第一電極相鄰。
[0173]技術方案10.根據技術方案I所述的電子設備，其中第一材料層包括沿第一方向布置的多個層；以及
[0174]其中所述多個層中的至少一個是隧道絕緣層。
[0175]技術方案11.根據技術方案10所述的電子設備，其中第一電極包括第一子電極、第二材料層和第二子電極；以及
[0176]其中隧道絕緣層與第一電極相鄰。
[0177]技術方案12.—種電子設備，包括半導體存儲單元，所述半導體單元包括多個存儲單元，所述多個存儲單元中的每個包括:
[0178]第一電極和第二電極，在第一方向上彼此間隔開；
[0179]可變電阻元件，插入在第一電極與第二電極之間；以及
[0180]閾值切換元件，插入在可變電阻元件與第二電極之間；
[0181]其中，第一電極或第二電極或第一電極和第二電極二者包括:
[0182]第一子電極和第二子電極，在第一方向上彼此間隔開；以及
[0183]材料層，插入在第一子電極與第二子電極之間，并且具有足夠小的厚度以使材料層能夠在存儲單元的操作電流處呈現類似歐姆的行為。
[0184]技術方案13.根據技術方案12所述的電子設備，其中所述多個存儲單元中的每個進一步包括:
[0185]第三電極，插入在可變電阻元件與閾值切換元件之間。
[0186]技術方案14.根據技術方案13所述的電子設備，其中第三電極包括第一子電極、材料層和第二子電極。
[0187]技術方案15.根據技術方案12所述的電子設備，其中材料層包括絕緣材料或半導體材料。
[0188]技術方案16.根據技術方案12所述的電子設備，其中半導體存儲單元進一步包括:
[0189]第一線，沿與第一方向相交的第二方向延伸；以及
[0190]第二線，沿與第一方向和第二方向相交的第三方向延伸；
[0191]其中第一線與第二線在第一方向上間隔開；以及
[0192]其中，所述多個存儲單元分別位于第一線和第二線的交點處。
[0193]技術方案17.根據技術方案I所述的電子設備，進一步包括微處理器，其包括:
[0194]控制單元，被配置成從微處理器的外部接收包括命令的信號，并且執行命令的提取、命令的譯碼或微處理器的信號的控制輸入或輸出；
[0195]操作單元，被配置成基于控制單元對命令譯碼的結果來執行操作；以及
[0196]存儲單元，被配置成儲存用于執行操作的數據、與執行操作的結果對應的數據或對其執行操作的數據的地址，
[0197]其中半導體單元是微處理器中的存儲單元的一部分。
[0198]技術方案18.根據技術方案I所述的電子設備，進一步包括處理器，其包括:
[0199]核心單元，被配置成基于從處理器的外部輸入的命令，通過使用數據來執行與命令對應的操作；
[0200]高速緩沖存儲單元，被配置成儲存用于執行操作的數據、與執行操作的結果對應的數據或對其執行操作的數據的地址；以及
[0201]總線接口，連接在核心單元與高速緩沖存儲單元之間，并且被配置成在核心單元與高速緩沖存儲單元之間傳輸數據，
[0202]其中半導體單元是處理器中的高速緩沖存儲單元的一部分。
[0203]技術方案19.根據技術方案I所述的電子設備，進一步包括處理系統，其包括:
[0204]處理器，被配置成對處理器接收到的命令譯碼并且基于對命令譯碼的結果來控制對信息的操作；
[0205]輔助存儲器件，被配置成儲存用于對命令譯碼的程序和信息；
[0206]主存儲器件，被配置成在執行程序時調用并儲存來自輔助存儲器件的程序和信息，使得處理器能夠使用程序和信息來執行操作；以及
[0207]接口設備，被配置成執行處理器、輔助存儲器件和主存儲器件中的至少一個與外部之間的通信，
[0208]其中半導體單元是處理系統中的輔助存儲器件或主存儲器件的一部分。
[0209]技術方案20.根據技術方案I所述的電子設備，進一步包括數據儲存系統，其包括:
[0210]儲存器件，被配置成儲存數據并且無論電源如何都保存儲存的數據；
[0211]控制器，被配置成根據從外部輸入的命令來控制數據到儲存器件的輸入以及數據從儲存器件的輸出；
[0212]暫時儲存器件，被配置成暫時儲存在儲存器件與外部之間交換的數據；以及
[0213]接口，被配置成執行儲存器件、控制器和暫時儲存器件中的至少一個與外部之間的通信，
[0214]其中半導體單元是數據儲存系統中的儲存器件或暫時儲存器件的一部分。
[0215]技術方案21.根據技術方案I所述的電子設備，進一步包括存儲系統，其包括:
[0216]存儲器，被配置成儲存數據并且無論電源如何都保存儲存的數據；
[0217]存儲器控制器，被配置成根據從外部輸入的命令來控制數據到存儲器的輸入以及數據從存儲器的輸出；
[0218]緩沖存儲器，被配置成緩沖在存儲器與外部之間交換的數據；以及
[0219]接口，被配置成執行存儲器、存儲器控制器和緩沖存儲器中的至少一個與外部之間的通?目，
[0220]其中半導體單元是存儲系統中的存儲器或緩沖存儲器的一部分。
【主權項】
1.一種電子設備，包括半導體單元，所述半導體單元包括: 第一電極和第二電極，在第一方向上彼此間隔開；以及 第一材料層，插入在第一電極與第二電極之間且具有可變電阻特性或閾值切換特性， 其中，第一電極或第二電極或第一電極和第二電極二者包括: 第一子電極和第二子電極，在第一方向上彼此間隔開；以及 第二材料層，插入在第一子電極與第二子電極之間，并且具有足夠小的厚度以使第二材料層能夠在半導體單元的操作電流處對流入其中的電流呈現類似歐姆的行為。2.根據權利要求1所述的電子設備，其中第二材料層在操作電流處沒有被擊穿。3.根據權利要求1所述的電子設備，其中第二材料層包括絕緣材料或半導體材料。4.根據權利要求1所述的電子設備，其中第二材料層包括HfO2層。5.根據權利要求1所述的電子設備，其中第一材料層具有根據導電路徑在第一層材料層中是產生還是消失而改變的電阻值。6.根據權利要求1所述的電子設備，其中第一材料層具有包括金屬氧化物、相變材料、鐵電材料和鐵磁材料中的至少一種的單層結構或多層結構。7.根據權利要求1所述的電子設備，其中第一材料層具有單層結構或多層結構，第一材料層包括二極管、雙向閾值切換OTS材料、混合離子電子導電MIEC材料、金屬絕緣體轉變MIT材料、隧道絕緣材料中的至少一個。8.根據權利要求1所述的電子設備，其中第一材料層包括其中缺氧金屬氧化物層和富氧金屬氧化物層沿第一方向布置的層疊結構。9.根據權利要求8所述的電子設備，其中第一電極包括第一子電極、第二材料層和第二子電極；以及 其中富氧金屬氧化物層與第一電極相鄰。10.一種電子設備，包括半導體存儲單元，所述半導體單元包括多個存儲單元，所述多個存儲單元中的每個包括: 第一電極和第二電極，在第一方向上彼此間隔開； 可變電阻元件，插入在第一電極與第二電極之間；以及 閾值切換元件，插入在可變電阻元件與第二電極之間； 其中，第一電極或第二電極或第一電極和第二電極二者包括: 第一子電極和第二子電極，在第一方向上彼此間隔開；以及 材料層，插入在第一子電極與第二子電極之間，并且具有足夠小的厚度以使材料層能夠在存儲單元的操作電流處呈現類似歐姆的行為。
【文檔編號】H01L45/00GK105914294SQ201510563362
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年9月7日
【發明人】金范庸, 李起正
【申請人】愛思開海力士有限公司