電阻隨機存取存儲器裝置的制造方法
【專利摘要】本申請涉及一種電阻隨機存取存儲器裝置。電阻隨機存取存儲器裝置包含：第一線路，其在第一方向上延伸；第一離子源層，其經提供于所述第一線路上的第一部分中；及第一可變電阻層，其經提供于所述第一離子源層上。所述電阻隨機存取存儲器裝置還包含第二線路，其經提供于所述第一可變電阻層上、面向所述第一部分且在不同于所述第一方向的第二方向上延伸。所述電阻隨機存取存儲器裝置還包含：第二可變電阻層，其經提供于所述第二線路上的第二部分中；第二離子源層，其經提供于所述第二可變電阻層上；及第三線路，其經提供于所述第二離子源層上、面向所述第二部分且在所述第一方向上延伸。所述第一離子源層由不同于所述第二離子源層材料的材料形成。
【專利說明】電阻隨機存取存儲器裝置
[0001]相關串請案的交叉參考
[0002]本申請案是基于并且請求2015年3月6日申請的美國臨時專利申請案第62/129，369號的優先權權利，所述申請案的全部內容以引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003]本文所描述的實施例大體上涉及一種電阻隨機存取存儲器裝置。
【背景技術】
[0004]以ReRAM(電阻隨機存取存儲器)為代表的兩端存儲器單元實現低電壓操作、高速切換及小型化。由于大容量存儲器裝置使用此兩端存儲器單元，故已提出交叉點類型非易失性電阻隨機存取存儲器裝置。在此交叉點式非易失性電阻隨機存取存儲器裝置中，需要抑制可變電阻層中的電流泄漏。
【發明內容】
[0005]根據一個實施例，一種電阻隨機存取存儲器裝置包含:第一線路，其在第一方向上延伸；第一離子源層，其經提供于所述第一線路上的第一部分中；及第一可變電阻層，其經提供于所述第一離子源層上。所述電阻隨機存取存儲器裝置還包含第二線路，其經提供于第一可變電阻層上、面向第一部分且在不同于第一方向的第二方向上延伸。所述電阻隨機存取存儲器裝置還包含:第二可變電阻層，其經提供于第二線路上的第二部分中；第二離子源層，其經提供于第二可變電阻層上；及第三線路，其經提供于第二離子源層上、面向第二部分且在第一方向上延伸。所述第一離子源層由不同于第二離子源層材料的材料形成。
[0006]根據實施例，可提供抑制電流泄漏的一種電阻隨機存取存儲器裝置。
【附圖說明】
[0007]圖1為說明根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置的方塊圖。
[0008]圖2為說明根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置的透視圖。
[0009]圖3為沿圖2中所示的線A-A’截取的橫截面視圖。
[0010]圖4為說明圖3中所示的區域B的橫截面視圖。
[0011]圖5A及5B為說明圖4中所示的區域Cl的橫截面視圖。
[0012]圖6A及6B為說明施加到根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的電壓的變化的時序圖，其中橫坐標表示時間，且縱坐標表示電壓。
[0013]圖7為說明根據比較實例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置的橫截面視圖。
[0014]圖8A及8B為說明圖7中所示的區域C2的橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0015]下文將參考圖式描述本發明的實施例。
[0016]實施例
[0017]將描述根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置I的配置。
[0018]圖1為說明根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置的方塊圖。
[0019]如圖1中所示，非易失性電阻隨機存取存儲器裝置I具備驅動電路51、單元陣列52、控制總線53及數據總線54。在單元陣列52中，提供多個存儲器單元。在存儲器單元中，存在兩種類型的存儲器單元:存儲器單元31及存儲器單元32。驅動電路51及每一存儲器單元31通過控制總線53及數據總線54連接。以相同方式，驅動電路51及每一存儲器單元32通過控制總線53及數據總線54連接。控制總線53由彼此鄰接的存儲器單元32及存儲器單元31共享，且數據總線54由彼此鄰接的存儲器單元31及存儲器單元32共享。附帶言之，圖1中的部分Al中的存儲器單元31及32為通過圖2中所示的線路14彼此鄰接的一對存儲器單元。
[0020]圖2為說明根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器的透視圖。
[0021]如圖2中所示，根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置I具備襯底11。襯底11具備非易失性電阻隨機存取存儲器裝置的驅動電路51 (未展示)。在襯底11上，提供絕緣膜12。在絕緣膜12上，提供堆疊體13。
[0022]下文在本說明書中，為方便說明起見而采用XYZ正交坐標系統。
[0023]S卩，在圖2中，將平行于襯底11與絕緣膜12之間的接觸表面且彼此正交的兩個方向定義為“X方向”及“Y方向”。此外，將相對于襯底11與絕緣膜12之間的接觸表面提供堆疊體13的方向定義為“Z方向”。
[0024]在堆疊體13中，在Y方向上分離且在X方向上延伸的多個線路(電極)14及在X方向上分離且在Y方向上延伸的多個線路(電極)15交替堆疊。線路14未彼此連接，且線路15也未彼此連接。此外，線路14及線路15互相未彼此連接。
[0025]在Z方向上延伸的存儲器單元提供于每一部分中，所述每一部分位于線路14中的每一者與線路15中的每一者之間且為線路14及線路15彼此交叉的部分。在除線路14、線路15及存儲器單元之外的部分中，提供絕緣部件18。
[0026]圖3為沿圖2中所示的線A-A’截取的橫截面視圖。
[0027]圖4為說明圖3中所示的區域B的橫截面視圖。
[0028]如圖3及4中所示，在存儲器單元32中，可變電阻層23經提供于線路14上，且離子源層24經提供于可變電阻層23上。離子源層24提供于可變電阻層23上的結構被稱為“第一次序的堆疊結構”。在存儲器單元31中，離子源層21經提供于線路15上，且可變電阻層22經提供于離子源層21上。可變電阻層22提供于離子源層21上的結構被稱為“第二次序的堆疊結構”。
[0029]可變電阻層22及可變電阻層23通過插入線路14安置于彼此面向的位置處。此夕卜，離子源層21及離子源層24也通過插入線路14安置于彼此面向的位置處。根據此配置，線路14可由存儲器單元31及存儲器單元32共享。S卩，可使用與離子源層24接觸的線路14及線路15作為存儲器單元32的線路。此外，可使用與離子源層21接觸的線路14及線路15作為存儲器單元31的線路。
[0030]可變電阻層23由(例如)氧化硅(S12)形成。
[0031]離子源層24由用于將離子供應到可變電阻層23的離子源及用于阻止線路15的金屬材料的擴散的阻擋金屬形成。
[0032]離子源層24的離子源由不太可能減少可變電阻層23中的氧化硅的材料(例如，銀(Ag))形成。
[0033]以與所述離子源相同的方式，離子源層24的阻擋金屬由不太可能減少可變電阻層23中的氧化硅的材料形成。離子源層24的阻擋金屬的材料的實例包含氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)及氮化鎢(WN)。在此等材料之中，氮化鎢為優選的。
[0034]圖5A及5B為說明圖4中所示的區域Cl的橫截面視圖。如圖4及5A中所示，在離子源層24由銀及氮化鎢形成的情況下，銀聚集于離子源層24的基礎側上。此情況是由于銀具有高表面張力。當銀聚集時，離子源層24中的銀聚集的部分膨脹，且許多凸起部分形成于離子源層24與線路15之間的接觸表面上。可變電阻層23與離子源層24之間的接觸表面為光滑的，且可變電阻層23的厚度不改變。
[0035]附帶言之，銀的聚集方式不限于銀的各別聚集體彼此分離的情況(參見圖5A)。舉例來說，如圖5B中所示，也可存在銀的聚集以連續方式發生在離子源層24的基礎側上且銀的各別聚集體彼此連接的情況。
[0036]堆疊結構為第二次序的堆疊結構的存儲器單元31的離子源層21的離子源由不同于堆疊結構為第一次序的堆疊結構的存儲器單元32的離子源層24的離子源材料的材料形成。離子源層21的離子源由不太可能聚集的材料(例如鈦(Ti))形成。銀具有高表面張力且很可能聚集，且因此，作為離子源層21的離子源的材料，相比銀，鈦為優選的。
[0037]堆疊結構為第二次序的堆疊結構的存儲器單元31的可變電阻層22由不同于堆疊結構為第一次序的堆疊結構的存儲器單元32的可變電阻層23材料的材料形成。此外，可存在以下情況:其中，在可變電阻層22中，可變電阻層22的材料與離子源層21的離子源的材料反應使得離子源的材料改變。舉例來說，在將氧化硅用作可變電阻層22的材料且將鈦用作離子源的材料的情況下，鈦自氧化硅獲得氧且轉化為氧化鈦(T12)。因此，可變電阻層22由不太可能與離子源層21的鈦反應的材料(例如，氧化鉿(HfO2))形成。
[0038]可變電阻層23可由除氧化硅(S12)之外的(例如)硅(Si)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、氧化鈮(Nb2O5)、氧化鋯(Zr2O3)、氧化釩(V2O5)或氧化鉬(MoO3)形成。
[0039]離子源層24的離子源可由任何材料形成，只要所述材料不太可能減少可變電阻層23中的氧化物即可，且所述材料可為除銀(Ag)之外的(例如)銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鈷(Co)、鎳(Ni)或鋅(Zn)。
[0040]離子源層21的離子源可由任何材料形成，只要所述材料不太可能聚集即可，且所述材料可為除鈦(Ti)之外的(例如)鉭(Ta)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)、氮化鋯(ZrN)或鈦鎢(TiW)。
[0041]可變電阻層22可由除氧化鉿(HfO2)之外的(例如)硅(Si)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈮(Nb2O5)、氧化鋯(Zr2O3)、氧化釩(V2O5)或氧化鉬(MoO3)形成。
[0042]附帶言之，在圖式中，離子源層21不具有阻擋金屬，但其可具有例如氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)或氮化鎢(WN)的阻擋金屬。在此情況下，阻擋金屬位于線路15側上，且離子源可經安置以位于可變電阻層22中。
[0043]作為用于堆疊結構為第一次序的堆疊結構的存儲器單元32的代表性組合，(例如)可變電阻層23具有氧化硅，且離子源層24具有銀或銅。作為用于堆疊結構為第二次序的堆疊結構的存儲器單元31的代表性組合，(例如)可變電阻層22具有氧化鉿，且離子源層21具有鈦。以此方式，具有第一次序的堆疊結構的存儲器單元32及具有第二次序的堆疊結構的存儲器單元31由不同材料形成。
[0044]此外，可變電阻層23的厚度及可變電阻層22的厚度可不同。在圖4中，可變電阻層22的厚度比可變電阻層23的厚度薄。
[0045]接下來將描述根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置I的操作。
[0046]如圖1中所示，通過控制總線53及數據總線54執行存儲器單元31及32的寫入、讀出、驗證等。通過改變由控制總線53施加到存儲器單元31及32的電壓，執行寫入、讀出、驗證等。
[0047]寫入為將數據存儲于存儲器單元中的操作。驗證為驗證寫入存儲器單元中的數據是否正確的操作。下文通過說明寫入及驗證操作來進行描述。
[0048]圖6A及6B為說明施加到存儲器單元32及31的電壓的變化的時序圖，其中橫坐標表示時間，且縱坐標表示電壓。圖6A中所示的脈沖Dl說明存儲器單元32的寫入操作，且圖6A中所示的脈沖D2說明存儲器單元32的驗證操作。圖6B中所示的脈沖El說明存儲器單元31的寫入操作，且圖6B中所示的脈沖E2說明存儲器單元31的驗證操作。
[0049]如圖6A中所示的脈沖D1，通過在Tpl周期期間將電壓Vp施加到存儲器單元32以將圖3中所示的可變電阻層23自高電阻狀態變為低電阻狀態來執行寫入操作。舉例來說，使高電阻狀態對應于數據“0”，且使低電阻狀態對應于數據“I”。電壓Vp對應于圖3中所示的線路14與線路15之間的電壓，且線路15的電位高于線路14的電位。
[0050]如圖6A中的脈沖D2所展示，通過在Tfl周期期間將電壓Vf施加到存儲器單元32及量測圖3中所示的可變電阻層23的電流來讀出可變電阻層23的狀態。S卩，驗證操作執行如下:在電流高于閾值的情況下，可變電阻層23經確定處于低電阻狀態(通過)，且在電流不高于閾值的情況下，可變電阻層23經確定處于高電阻狀態(失敗)。電壓Vf對應于圖3中所示的線路14與線路15之間的電壓，且線路15的電位高于線路14的電位。
[0051]附帶言之，在驗證結果變為“失敗”的情況下，再次執行寫入及驗證操作的循環。此時，電壓Vp可增加一給定電壓。重復寫入及驗證操作的循環直到驗證結果變為“通過”。
[0052]在實施例中，離子源層的配置在存儲器單元31與存儲器單元32之間不同。因此，待施加到存儲器單元32的寫入電壓的脈沖及待施加到存儲器單元31的寫入電壓的脈沖形狀不同。在驅動電路51中，分別需要用于產生待施加到存儲器單元32及31的寫入電壓的脈沖的電路。歸因于此，需要將待施加到存儲器單元32及31的寫入電壓Vp標準化為電壓的一個值。
[0053]因此，分別設定可變電阻層23的厚度及可變電阻層22的厚度，以使得待施加到存儲器單元32的寫入電壓及待施加到存儲器單元31的寫入電壓變為相同值。
[0054]通過此舉，可變電阻層23具有不同于可變電阻層22厚度的厚度。舉例來說，在由于由氧化鉿(HfO2)形成可變電阻層22且通過由氧化硅(S12)等等形成可變電阻層23，存儲器單元31的寫入操作比存儲器單元32的寫入操作難的情況下，可變電阻層22的厚度比可變電阻層23的厚度薄。
[0055]因此，如圖6B中以脈沖El所示，可使待施加到存儲器單元31的寫入電壓Vp為與待施加到存儲器單元32的寫入電壓Vp實質上相同的值。附帶言之，可分別設定可變電阻層23及22的厚度，以使得待施加到存儲器單元32及31的驗證電壓變為相同電壓。在此情況下，如圖6B中以脈沖E2所示，可使待施加到存儲器單元31的驗證電壓Vf為與待施加到存儲器單元32的驗證電壓Vf實質上相同的值。
[0056]附帶言之，脈沖Dl及脈沖El的施加時間可經調整以使得待施加到存儲器單元32及31的寫入電壓實質上為相同電壓值。在此情況下，脈沖Dl的施加時間Tpl及脈沖El的施加時間Tp2為不同值。以相同方式，脈沖D2及脈沖Ε2的施加時間可以使得脈沖D2的施加時間Tfl及脈沖Ε2的施加時間Tf2經設定為不同值的方式經調整，以使得待施加到存儲器單元32及31的驗證電壓實質上為相同電壓。舉例來說，在存儲器單元31的寫入操作比存儲器單元32的寫入操作難的情況下，脈沖El的施加時間Tp2可經設定為比脈沖Dl的施加時間Tpl長，且脈沖Ε2的施加時間Tf2可經設定為比脈沖D2的施加時間Tfl長。此外，伴隨此情況，存儲器單元31的寫入及驗證操作的一個循環的時間可經設定為比存儲器單元32的寫入及驗證操作的一個循環的時間長。替代地，將存儲器單元32的每一脈沖之間的時間設定為較長的，且存儲器單元31及32的寫入及驗證操作的一個循環的時間可設定為相同時間。前者可減少非易失性存儲器裝置中的寫入操作的時間，且后者可簡化寫入操作期間的控制。
[0057]將描述根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置I的效應。
[0058]在根據實施例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置I中，使用具有低表面張力且不太可能聚集的材料作為離子源層21的離子源的材料。具有低表面張力且不太可能聚集的材料的實例包含鈦(Ti)。在不發生聚集的情況下，可變電阻層22的厚度幾乎不變化。
[0059]在離子源的材料聚集于離子源層21中且凸凹形形成于離子源層21的表面上的情況下，形成可變電阻層22的厚度局部較薄的部分。歸因于此，當將小于電壓Vp的電壓施加到存儲器單元31時，電流泄漏發生于可變電阻層22中，且可變電阻層22不能在高電阻狀態與低電阻狀態之間切換。因此，通過使用較離子源層22的離子源的材料不太可能聚集的材料，形成具有極少凸凹形的離子源層，借此抑制電流泄漏。
[0060]因此，可提供抑制電流泄漏的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置。
[0061]比較實例
[0062]接下來將描述比較實例。
[0063]圖7為說明根據比較實例的非易失性電阻隨機存取存儲器裝置的橫截面視圖。
[0064]圖8A及8B為說明圖7中所示的區域C2的橫截面視圖。如圖7及8A中所示，在離子源層21以與離子源層24相同的方式由銀及氮化鎢形成的情況下，銀聚集于離子源層21的基礎側上。此情況是由于銀具有高表面張力。
[0065]當銀聚集時，離子源層21中的銀聚集的部分35膨脹，且許多凸起部分形成于離子源層21與可變電阻層22之間的接觸表面上。對應于部分35的可變電阻層22中的部分36的厚度Tl相較于銀不聚集的情況變得更薄。歸因于具有薄厚度的部分36在可變電阻層22中的形成，當將小于電壓Vp的電壓施加到存儲器單元31時，可變電阻層22(例如)自高電阻狀態變為低電阻狀態，且在一些情況下泄漏電路可流動。
[0066]附帶言之，如圖SB中所示，也可存在以下情況:離子源層21中銀的聚集以與上文所描述述實施例中的離子源層24中銀的聚集(參見圖5B)相同的方式以連續方式發生在離子源層21的基礎側上，且銀的各別聚集體彼此連接。同樣在此情況下，對應于銀聚集的部分35的可變電阻層22中的部分36的厚度T2相較于銀不聚集的情況變得更薄。
[0067]根據上文所描述的實施例，可提供抑制電流泄漏的非易失性電阻隨機存取存儲器
目.ο
[0068]雖然已描述某些實施例，但此等實施例僅借助于實例來呈現，且并不意在限制本發明的范圍。實際上，可以多種其他形式來體現本文所描述的新穎實施例；此外，可在不脫離本發明的精神的情況下進行本文所描述的實施例的各種省略、替換及形式的改變。所附權利要求書及其等效物意在涵蓋將在本發明的范圍及精神內的此等形式或修改。
【主權項】
1.一種電阻隨機存取存儲器裝置，其特征在于包括: 第一線路，其在第一方向上延伸； 第一離子源層，其經提供于所述第一線路上的第一部分中； 第一可變電阻層，其經提供于所述第一離子源層上； 第二線路，其經提供于所述第一可變電阻層上、面向所述第一部分并且在不同于所述第一方向的一第二方向上延伸； 第二可變電阻層，其經提供于所述第二線路上的第二部分中； 第二離子源層，其經提供于所述第二可變電阻層上；及 第三線路，其經提供于所述第二離子源層上、面向所述第二部分并且在所述第一方向上延伸；且 所述第一離子源層由不同于所述第二離子源層材料的材料形成。2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述第一可變電阻層由不同于所述第二可變電阻層材料的材料形成。3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述第二離子源層含有銀、銅、金、鋁、鐵、錳、鈷、鎳或鋅；且 所述第二可變電阻層含有氧化硅、硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鈮、氧化鋯、氧化釩或氧化鉬。4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述第一可變電阻層含有氧化鉿、硅、氧化鋁、氧化鈮、氧化鋯、氧化釩或氧化鉬；且 所述第一離子源層含有鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭、氮化鎢、氮化鋯或鈦鎢。5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述第二可變電阻層具有不同于所述第一可變電阻層厚度的厚度。6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述第一可變電阻層具有比所述第二可變電阻層的厚度薄的厚度。7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述第二可變電阻層安置為緊靠所述第一可變電阻層上方。8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 待施加到所述第一可變電阻層的寫入脈沖與待施加到所述第二可變電阻層的寫入脈沖形狀不同。9.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 待施加到所述第一可變電阻層的寫入脈沖的施加時間不同于待施加到所述第二可變電阻層的寫入脈沖的施加時間。10.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 待施加到所述第一可變電阻層的寫入脈沖的施加時間長于待施加到所述第二可變電阻層的寫入脈沖的施加時間。11.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 待施加到所述第一可變電阻層的驗證脈沖與待施加到所述第二可變電阻層的驗證脈沖形狀不同。12.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 待施加到所述第一可變電阻層的驗證脈沖的施加時間不同于待施加到所述第二可變電阻層的驗證脈沖的施加時間。13.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 待施加到所述第一可變電阻層的驗證脈沖的施加時間長于待施加到所述第二可變電阻層的驗證脈沖的施加時間。14.一種電阻隨機存取存儲器裝置，其特征在于包括: 第一線路，其在第一方向上延伸； 第一離子源層，其經提供于所述第一線路上的第一部分中，并且具有第一離子源； 第一可變電阻層，其經提供于所述第一離子源層上； 第二線路，其經提供于所述第一可變電阻層上、面向所述第一部分并且在不同于所述第一方向的第二方向上延伸； 第二可變電阻層，其經提供于所述第二線路上的第二部分中； 第二離子源層，其經提供于所述第二可變電阻層上，并且具有第二離子源及第二障壁金屬；及 第三線路，其經提供于所述第二離子源層上、面向所述第二部分并且在所述第一方向上延伸；且 所述第二離子源層具有相較于所述第一離子源層更粗糙的上表面。15.根據權利要求14所述的裝置，其特征在于: 所述第一可變電阻層具有不同于所述第二可變電阻層厚度的厚度。16.根據權利要求14所述的裝置，其特征在于: 所述第一可變電阻層具有比所述第二可變電阻層的厚度薄的厚度。17.根據權利要求14所述的裝置，其特征在于: 所述第二可變電阻層安置為緊靠所述第一可變電阻層上方。18.根據權利要求14所述的裝置，其特征在于: 待施加到所述第一可變電阻層的寫入脈沖的施加時間長于待施加到所述第二可變電阻層的寫入脈沖的施加時間。19.根據權利要求14所述的裝置，其特征在于: 待施加到所述第一可變電阻層的寫入脈沖的施加時間長于待施加到所述第二可變電阻層的寫入脈沖的施加時間，并且所述第一可變電阻層具有比所述第二可變電阻層的厚度薄的厚度。20.根據權利要求14所述的裝置，其特征在于: 所述第二離子源比所述第一離子源更加聚集。
【文檔編號】H01L27/24GK105938842SQ201510555674
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年9月2日
【發明人】川嶋智仁, 藤井章輔
【申請人】株式會社東芝