專利名稱：阻變隨機存取存儲器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非易失性存儲器件，更具體而言，涉及阻變存儲器件、包括阻變存儲器件的系統(tǒng)以及制造阻變存儲器件的方法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字通信技術(shù)和電子電器技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有存儲器件(諸如動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)或快閃存儲器)在獲得更高集成度和更高器件性能方面將很快達到其物理極限。例如，代表非易失性存儲器的快閃存儲器在編程操作和擦除操作中使用高電壓，并且由于比例正在縮小的相鄰單元之間的干擾而具有物理極限。此外，快閃存儲器具有低操作速度和高功耗的問題。作為現(xiàn)有存儲器件的替代，正在研究不同類型的存儲器件，以基于諸如相變、磁場變化等的不同特性來儲存數(shù)據(jù)。例如，相變存儲器件可以通過造成相變來改變材料的電阻而儲存信息。
已經(jīng)研究了鐵電RAM(FeRAM),但是關(guān)于其材料穩(wěn)定性產(chǎn)生了顧慮。還研究了磁性RAM (MRAM)，但是其具有復(fù)雜的制造工藝、多層結(jié)構(gòu)以及較小的讀取/寫入余量。作為以上討論的存儲器件的替代，已經(jīng)研究了阻變隨機存取存儲器(ReRAM)，以根據(jù)施加到薄膜的電壓而基于薄膜的電阻變化來儲存數(shù)據(jù)。理論上，ReRAM在大量寫入操作和擦除操作之后不存在惡化的問題，并且即使在高溫下也呈現(xiàn)出正常操作特性。另外，ReRAM呈現(xiàn)出非易失性特點并且提供良好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。此外,ReRAM根據(jù)施加到其的輸入脈沖而以IOns至20ns改變電阻1000次或更多次的高操作速度操作。
由于ReRAM器件的可變電阻層一般為單層，所以ReRAM可以被高度地集成并且以高速操作。另外，可以將用于補償金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的典型集成技術(shù)應(yīng)用于ReRAM。這里，可變電阻層一般由氧化物形成。具體地，氧化物包括二元氧化物和鈣鈦礦氧化物。近來，ReRAM的可變電阻層通常由摻金屬的鈣鈦礦氧化物構(gòu)成。
作為ReRAM器件的一個實例，韓國專利公開N0.2006-106035公開了一種ReRAM器件，所述ReRAM器件包括由摻Cr的鈣鈦礦氧化物SrZr3形成的電阻層。
韓國專利公開N0.2004-63600公開了一種ReRAM器件，所述ReRAM器件包括銥(Ir)襯底、形成在襯底上的 Ta、TaN, T1、TiN, TaAlN, TiSiN, TaSiN, TiAl 或 TiAlN 的阻擋層、以及在阻擋層上形成為電阻層的Pra7Caa3MnO3 (PCMO)薄膜。
然而，由于這些存儲器件是單電平器件(允許形成在上數(shù)據(jù)線和下數(shù)據(jù)線的交叉處的器件儲存單個導(dǎo)通/關(guān)斷信息)，因此這種存儲器件具有比多電平器件低的每單位面積數(shù)據(jù)存儲容量。
因此，具有如下的存儲器件是有用的，即所述存儲器件經(jīng)由簡單的制造工藝制造而沒有表面污染，可應(yīng)用于包括非易失性存儲器件的各種存儲器件，并且允許經(jīng)由控制操作電壓來調(diào)整各種電阻狀態(tài)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對提供一種能夠經(jīng)由簡單的工藝來實現(xiàn)多電平數(shù)據(jù)狀態(tài)的阻變存儲器件和包括阻變存儲器件的電子系統(tǒng)。
本發(fā)明還針對提供一種能夠經(jīng)由簡單的工藝來實現(xiàn)多電平數(shù)據(jù)狀態(tài)的制造阻變存儲器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種阻變存儲器件包括:下電極，所述下電極設(shè)置在襯底上；第一電阻層和第二電阻層，所述第一電阻層和第二電阻層分別設(shè)置在下電極的相對側(cè)，并且分別在不同的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化；以及上電極，所述上電極設(shè)置在第一電阻層和第二電阻層上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種阻變存儲器件包括:多個第一導(dǎo)線，所述多個第一導(dǎo)線設(shè)置成彼此平行；多個第二導(dǎo)線，所述多個第二導(dǎo)線設(shè)置成彼此平行，同時大體以直角與第一導(dǎo)線相交叉；以及阻變存儲器單元，所述阻變存儲器單元設(shè)置在第一導(dǎo)線與第二導(dǎo)線之間的交叉處。阻變存儲器單元中的每個包括:第一電阻層，所述第一電阻層與第一導(dǎo)線中的相應(yīng)一個的一側(cè)連接，并且在一定電壓下呈現(xiàn)出電阻變化；第二電阻層，所述第二電阻層與相應(yīng)導(dǎo)線的對側(cè)連接，并且在與第一電阻層不同的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種阻變存儲器件包括:多個第一數(shù)據(jù)線，所述多個第一數(shù)據(jù)線設(shè)置成彼此平行；多個第二數(shù)據(jù)線，所述多個第二數(shù)據(jù)線設(shè)置成彼此平行，同時大體以直角與第一數(shù)據(jù)線相交叉；以及第一阻變存儲器和第二阻變存儲器，所述第一阻變存儲器和所述第二阻變存儲器分別設(shè)置在第一數(shù)據(jù)線和第二數(shù)據(jù)線之間的每個交叉處的每個第一數(shù)據(jù)線的相對側(cè)，并且在第一電壓下分別呈現(xiàn)出不同的電阻變化特性。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種電子系統(tǒng)包括控制器、輸入/輸出單元以及存儲單元，它們通過總線耦接。這里，存儲單元是阻變存儲器件，所述阻變存儲器件包括:多個第一數(shù)據(jù)線，所述多個第一數(shù)據(jù)線設(shè)置成彼此平行；多個第二數(shù)據(jù)線，所述多個第二數(shù)據(jù)線設(shè)置成彼此平行，同時大體以直角與第一數(shù)據(jù)線相交叉；以及第一阻變存儲器和第二阻變存儲器，所述第一阻變存儲器和所述第二阻變存儲器分別設(shè)置在第一數(shù)據(jù)線與第二數(shù)據(jù)線之間的每個交叉處的每個第一數(shù)據(jù)線的相對側(cè)處，并且在一定電壓下呈現(xiàn)出不同的電阻變化特性。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種制造阻變存儲器件的方法包括以下步驟:在襯底上以條紋形狀形成第一導(dǎo)線，以恒定的間隔彼此分隔開；形成填充第一導(dǎo)線之間的空間同時覆蓋第一導(dǎo)線的層間絕緣層；通過刻蝕第一對相鄰的第一導(dǎo)線之間的層間絕緣層并且刻蝕每個第一導(dǎo)線的一側(cè)來形成第一溝槽；沿著第一溝槽的內(nèi)壁形成第一電阻層；在第一電阻層上形成第一導(dǎo)電層以填充第一溝槽；通過刻蝕包括第一對相鄰的第一導(dǎo)線中的一個的第二對相鄰的第一導(dǎo)線之間的第一導(dǎo)電層、層間絕緣層以及每個第一導(dǎo)線的另一側(cè)來形成第二溝槽；沿著第二溝槽的內(nèi)壁形成第二電阻層；在第二電阻層上形成第二導(dǎo)電層以填充第二溝槽；刻蝕第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層以及第一電阻層和第二電阻層直到暴露出層間絕緣層的上表面；在從刻蝕第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層以及第一電阻層和第二電阻層的所得結(jié)構(gòu)上形成第二導(dǎo)線，其中，第二導(dǎo)線大體以直角與第一導(dǎo)線相交叉；以及通過刻蝕第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層來形成彼此不連接的第一導(dǎo)電圖案和第二導(dǎo)電圖案。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種制造阻變存儲器件的方法包括以下步驟:在襯底上以條紋形狀形成第一導(dǎo)線，以恒定的間隔彼此分隔開；形成填充第一導(dǎo)線之間的間隔同時覆蓋第一導(dǎo)線的層間絕緣層；通過刻蝕第一對相鄰的第一導(dǎo)線之間的層間絕緣層的一部分和每個第一導(dǎo)線的一側(cè)來形成第一溝槽；在包括第一溝槽的內(nèi)壁的暴露部分上形成第一電阻層；在形成有第一電阻層的表面上形成光致抗蝕劑圖案；利用光致抗蝕劑圖案作為掩模，刻蝕層間絕緣層的另一部分和包括第一對相鄰的第一導(dǎo)線中的一個的第二對相鄰的第一導(dǎo)線的另一側(cè)，以形成第二溝槽；在包括第二溝槽的內(nèi)壁的暴露部分上形成第二電阻層；刻蝕第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層直到暴露出層間絕緣層的上表面，接著去除其余的光致抗蝕劑圖案；以及在包括第一溝槽和第二溝槽的第一電阻層和第二電阻層上形成第二導(dǎo)線，大體以直角與第一導(dǎo)線相交叉。


從以下結(jié)合附圖對實施例的詳細描述，本發(fā)明的以上和其它的方面、特征和優(yōu)點將變得更加明顯，其中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的阻變存儲器陣列的一部分的等效電路圖2是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的阻變存儲器陣列的一部分的布局圖3a是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的阻變存儲器陣列的立體圖，圖3b是沿著圖3a的線A-A’截取的截面圖，圖3c是沿著圖3a的線B-B’截取的截面圖，圖3d是沿著圖3a的線C-C’截取的截面圖，以及圖3e是沿著圖3a的線D_D’截取的截面圖4a是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的阻變存儲器陣列的立體圖，圖4b是沿著圖4a的線A-A’截取的截面圖，圖4c是沿著圖4a的線B-B’截取的截面圖，以及圖4d是沿著圖4a的線C-C’截取的截面圖5a是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的阻變存儲器陣列的立體圖，圖5b是沿著圖5a的線A-A’截取的截面圖，圖5c是沿著圖5a的線B-B’截取的截面圖，以及圖5d是沿著圖5a的線C-C’截取的截面圖6a是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的阻變存儲器陣列的立體圖，圖6b是沿著圖6a的線A-A’截取的截面圖，圖6c是沿著圖6a的線B-B’截取的截面圖，以及圖6d是沿著圖6a的線C-C’截取的截面圖7a是圖3a所示的阻變存儲器陣列的多層結(jié)構(gòu)的立體圖，圖7b是圖4a所示的阻變存儲器陣列的多層結(jié)構(gòu)的立體圖，圖7c是圖5a所示的阻變存儲器陣列的多層結(jié)構(gòu)的立體圖，以及圖7d是圖6a所示的阻變存儲器陣列的多層結(jié)構(gòu)的立體圖8是描繪呈現(xiàn)出不同電阻變化特性的兩個可變電阻層的單極性開關(guān)曲線的曲線圖9是描繪呈現(xiàn)出不同電阻變化特性的兩個可變電阻層的雙極性開關(guān)曲線的曲線圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的包括阻變存儲器的電子系統(tǒng)的一個實例的框圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的包括阻變存儲器的存儲卡的一個實例的框圖12至圖18是制造根據(jù)本發(fā)明的第一實施例或第二實施例的阻變存儲器件的方法的截面圖19至圖25是制造根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的阻變存儲器件的方法的截面圖；以及
圖26至圖29是制造根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的阻變存儲器件的方法的截面圖。
具體實施方式
將參照附圖詳細地描述本發(fā)明的實施例。
阻變存儲器陣列的結(jié)構(gòu)
圖1是根據(jù)一個示例性實施例的阻變存儲器陣列的一部分的等效電路圖，圖2是根據(jù)所述示例性實施例的阻變存儲器陣列的一部分的布局圖。在本文中，出于說明的目的，將沿著第一方向的數(shù)據(jù)線稱作字線WL，而將沿著第二方向的數(shù)據(jù)線稱作位線BL。
參見圖1和圖2，根據(jù)本實施例的阻變存儲器陣列包括:多個字線WL1、WL2、WL3、...、11^，所述多個字線孔1、112、113、...、WLn被布置成彼此平行；多個位線BL1、BL2、BL3、…、BLn，所述多個位線BL1、BL2、BL3、…、BLn被布置成彼此平行，同時大體以直角與字線相交叉；以及多個阻變存儲器單元MC，所述多個阻變存儲器單元MC被設(shè)置在字線WLl、WL2、WL3、...、WLn 與位線 BL1、BL2、BL3、…、BLn 之間的交叉處。
每個阻變存儲器單元MC利用可變電阻器VR的電阻來儲存一個或更多個比特的數(shù)據(jù)。例如，被編程為具有高電阻值的可變電阻器VR可以表示邏輯“I”的比特數(shù)據(jù)，而被編程為具有低電阻值的可變電阻器VR可以表示邏輯“0”的比特數(shù)據(jù)。
每個阻變存儲器單元MC可以包括這種可變電阻器VR。在一些實施例中，可變電阻器VR可以被稱作存儲器單元或存儲器材料。
可變電阻器VR可以是任何類型的電阻器，即基于結(jié)晶相與非結(jié)晶相之間的相變而呈現(xiàn)出電阻變化的電阻器(如在硫族化物等中)、通過經(jīng)由金屬的萃取而在電極之間形成橋(導(dǎo)電橋)并且經(jīng)由萃取的金屬的離子化來破壞所述橋而呈現(xiàn)出電阻變化的電阻器、或通過施加到過渡金屬氧化物層的一定電壓或電流而基于氧空位的移動來呈現(xiàn)出電阻變化的電阻器。
在本實施例中， 與一個位線相交叉的一個字線在其兩側(cè)都設(shè)置有一個可變電阻器VR,由此構(gòu)成單位單元UC。例如，第一字線WLl分別在其右側(cè)和左側(cè)設(shè)置有兩個可變電阻器VR1、VR2?？梢詫⒖刂破骷﨑設(shè)置在每個可變電阻器與位線之間，以控制可變電阻器中的電流。如在附圖中所示，控制器件D可以是二極管或電阻器。
這里，在由一對字線以及與所述一對字線大體以直角相交叉的一對位線限定的區(qū)域內(nèi)設(shè)置有八個阻變存儲器單元。例如，在由第一字線WLl和第二字線WL2以及與第一字線WLl和第二字線WL2相交叉的第一位線BLl和第二位線BL2限定的區(qū)域10內(nèi)設(shè)置有分別包括可變電阻器VRl至VR8的八個阻變存儲器單元。
設(shè)置在與一個位線相交叉的一個字線的右側(cè)和左側(cè)的兩個可變電阻器VR分別在不同的電壓下開關(guān)。換言之，兩個可變電阻器即使在相同的電壓下也呈現(xiàn)出不同的開關(guān)特性。
阻變存儲器經(jīng)由可變電阻器的電阻變化來儲存數(shù)據(jù)。每個可變電阻器由諸如氧化鎳層(NiO)或其它過渡金屬氧化物層的阻變材料的薄膜構(gòu)成。借助于這種配置，可變電阻器可以經(jīng)由電流和電壓的控制而呈現(xiàn)出電阻變化。此時，當設(shè)置在一個字線的相對側(cè)的兩個可變電阻器由呈現(xiàn)出不同電阻變化特性的阻變材料構(gòu)成時，或由具有不同物理特性(諸如厚度或與電極的接觸面積)的同種材料構(gòu)成時，與一個字線連接的兩個可變電阻器在不同的電壓下呈現(xiàn)出不同的電阻變化特性。
例如，再次參見圖1，當?shù)谝蛔志€WLl左側(cè)的第一可變電阻器VRl由在電壓Vl下呈現(xiàn)出高電阻變化的材料形成、并且第一字線的右側(cè)的第二可變電阻器VR2由在高于電壓Vl的電壓V2下呈現(xiàn)出高電阻變化的材料形成時，與一個字線WLl連接的兩個可變電阻器VR1、VR2在不同的電壓下呈現(xiàn)出高電阻變化。
相反地，當?shù)谝豢勺冸娮杵鱒Rl和第二可變電阻器VR2由同種材料形成時，第一可變電阻器VRl可以包括具有一定厚度的第一可變電阻層，而第二可變電阻器VR2可以包括比第一可變電阻層更厚的第二可變電阻層。另外，第一可變電阻器VRl包括的第一可變電阻層具有恒定的與電極(諸如字線或位線)的接觸面積，而第二可變電阻器VR2包括的第二可變電阻層與電極的接觸面積比第一可變電阻層與電極的接觸面積大。
在此情況下，與一個字線WLl連接的兩個可變電阻器VR1、VR2在不同的電壓下呈現(xiàn)出高電阻變化。替代地，第一可變電阻器VRl和第二可變電阻器VR2中的每個可以形成為以與上述可變電阻器相反的方式來具有厚度或與電極的接觸面積。
因此，由于根據(jù)施加到彼此相交叉的字線和位線的電壓的不同而具有不同導(dǎo)通/關(guān)斷操作的兩個存儲器單元與一個字線連接，所以根據(jù)本實施例的阻變存儲器可以具有比現(xiàn)有ReRAM陣列的數(shù)據(jù)存儲容量的兩倍更大的數(shù)據(jù)存儲容量。也就是說，根據(jù)本實施例的阻變存儲器可以呈現(xiàn)出多電平數(shù)據(jù)狀態(tài)。
圖8是描繪呈現(xiàn)出不同電阻變化特性的兩個可變電阻層的單極性開關(guān)曲線的曲線圖。附圖標記“20”和“30”分別表示第一可變電阻層和第二可變電阻層的開關(guān)曲線。
參見圖8，執(zhí)行0N/0FF單極性開關(guān)行為的兩個可變電阻層可以根據(jù)施加的電壓而提供四種數(shù)據(jù)狀態(tài)。
例如，在電壓Vl下，第一可變電阻層的開關(guān)曲線20和第二可變電阻層的開關(guān)曲線30都示出ON狀態(tài)。在電壓V2下，第一可變電阻層的開關(guān)曲線20示出OFF狀態(tài)，而第二可變電阻層的開關(guān)曲線30示出ON狀態(tài)。在電壓V3下，第一可變電阻層的開關(guān)曲線20和第二可變電阻層的開關(guān)曲線30都示出OFF狀態(tài)。在電壓V4下，第一可變電阻層的開關(guān)曲線20示出ON狀態(tài)，而第二可變電阻層的開關(guān)曲線30示出OFF狀態(tài)。
圖9是描繪呈現(xiàn)出不同電阻變化特性的兩個可變電阻層的雙極性開關(guān)曲線的曲線圖。附圖標記“40”和“50”分別示出第一可變電阻層和第二可變電阻層的開關(guān)曲線。
參見圖9，執(zhí)行0N/0FF雙極性開關(guān)行為的兩個可變電阻層可以根據(jù)施加的電壓而提供四種數(shù)據(jù)狀態(tài)。
例如，在電壓Vl下，第一可變電阻層的開關(guān)曲線40和第二可變電阻層的開關(guān)曲線50都示出OFF狀態(tài)。在電壓V2下，第一可變電阻層的開關(guān)曲線40示出ON狀態(tài)，而第二可變電阻層的開關(guān)曲線50示出OFF狀態(tài)。在電壓V3下，第一可變電阻層的開關(guān)曲線40和第二可變電阻層的開關(guān)曲線50都示出ON狀態(tài)。在電壓V4下，第一可變電阻層的開關(guān)曲線40示出OFF狀態(tài)，而第二可變電阻層的開關(guān)曲線50示出ON狀態(tài)。另外，在電壓V5下，第一可變電阻層的開關(guān)曲線40和第二可變電阻層的開關(guān)曲線50都示出OFF狀態(tài)。
如此，利用與一個字線連接的兩個可變電阻器來獲得四種數(shù)據(jù)狀態(tài)。另外，在讀取被編程到阻變存儲器中的數(shù)據(jù)時，根據(jù)每個可變電阻層的特性來設(shè)置參考輸出電流電平，并且可以根據(jù)所述輸出電流電平來讀取多比特的數(shù)據(jù)狀態(tài)。
如此，設(shè)置在一個字線的相對側(cè)的可變電阻層由呈現(xiàn)出不同電阻變化特性的不同材料構(gòu)成，或者由具有不同特性(諸如不同厚度或不同大小的與電極的接觸面積)的同種材料構(gòu)成，以呈現(xiàn)出不同的電阻變化特性，由此將多電平單元的操作使能。也就是說，根據(jù)本實施例的阻變存儲器件可以儲存多電平的數(shù)據(jù)狀態(tài)。
阻變存儲器單元結(jié)構(gòu)
圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的阻變存儲器陣列的立體圖。圖3b是沿著圖3a的線A-A’截取的截面圖，圖3c是沿著圖3a的線B-B’截取的截面圖，圖3d是沿著圖3a的線C-C’截取的截面圖，以及圖3e是沿著圖3a的線D_D’截取的截面圖。
參見圖3a至圖3e，根據(jù)第一實施例的阻變存儲器件包括:第一導(dǎo)線110，所述第一導(dǎo)線110形成為條紋圖案并且以恒定的間隔布置在襯底100上；第一電阻層131，所述第一電阻層131與每個第一導(dǎo)線110的一側(cè)連接，并且在一定的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化；第二電阻層132，所述第二電阻層132與每個第一導(dǎo)線110的另一側(cè)連接，并且在與用于第一電阻層131的電阻變化的電壓不同的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化；以及第二導(dǎo)線150，所述第二導(dǎo)線150與第一電阻層 131和第二電阻層132電連接，同時大體以直角與第一導(dǎo)線110相交叉。
第一電阻層131和第二電阻層132中的每個與兩個相鄰的第一導(dǎo)線110的上側(cè)表面連接，層間絕緣層120在襯底100上形成在第一導(dǎo)線110之間并且在第一電阻層131和第二電阻層132之間形成在第一導(dǎo)線110上。
具體地，參見圖3b，在根據(jù)第一實施例的阻變存儲器件中，由第一導(dǎo)線110構(gòu)成的下電極、設(shè)置在第一導(dǎo)線110的相對側(cè)的上部的第一電阻層131和第二電阻層132、以及由導(dǎo)電圖案140和第二導(dǎo)線150構(gòu)成的上電極155構(gòu)成單位阻變存儲器單元。
這里，導(dǎo)電圖案140在第二導(dǎo)線150之下設(shè)置在兩個相鄰的第一導(dǎo)線110之間。導(dǎo)電圖案140布置在第一電阻層131和第二電阻層132上，并且向下突出到比第一導(dǎo)線110的上表面更低的高度，使得導(dǎo)電圖案140的下表面位于第一導(dǎo)線110的上表面之下。第一電阻層131和第二電阻層132中的每個插入在第一導(dǎo)線110和導(dǎo)電圖案140之間。第二導(dǎo)線150通過導(dǎo)電圖案140與第一電阻層131和第二電阻層132電連接。
第一電阻層131和第二電阻層132中的每個在其一個端部與第一導(dǎo)線110連接，并且在其另一個端部與第二導(dǎo)線150連接。
如圖3e所示，第一導(dǎo)線110可以具有凹凸形狀，其中，凸面部分形成在與位線150相對應(yīng)的區(qū)域，凹面部分形成在位線150之間。
第一電阻層131和第二電阻層132中的每個由選自金屬氧化物層、PCMO(Pr1^xCaxMnO3,0〈X〈1)層、硫族化物層、鈣鈦礦層以及摻金屬的固態(tài)電解質(zhì)層中的至少一種構(gòu)成。這里，第一電阻層131和第二電阻層132由不同的材料構(gòu)成，或者由具有不同物理特性(諸如厚度或與電極的接觸面積)的同種材料構(gòu)成，以在不同的電壓下呈現(xiàn)出不同的電阻變化特性。
單位阻變存儲器單元可以包括:第一導(dǎo)線110 ;第一電阻層131，所述第一電阻層131形成在第一導(dǎo)線110的一側(cè)；以及第二電阻層132，所述第二電阻層132形成在第一導(dǎo)線110的另一側(cè)。因此，在相同的面積下存儲器單元的數(shù)目可以增加到兩倍。
另外，由于第一電阻層131和第二電阻層132被配置成在不同的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化，所以通過允許兩個阻變存儲器根據(jù)第一導(dǎo)線110與導(dǎo)線圖案140之間的電壓差的程度來儲存不同的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)多電平器件。
另外，第一導(dǎo)線110的上側(cè)表面被部分地刻蝕，以在第一導(dǎo)線110的刻蝕區(qū)域上形成阻變存儲器。在將電壓施加到第一導(dǎo)線110以用于數(shù)據(jù)的編程、擦除或讀取時，大部分電場由于電流集聚而集中在第一導(dǎo)線的被刻蝕的邊緣。因而，可以在較低的電壓下執(zhí)行阻變存儲器的操作。另外，電阻層可以形成得盡可能小，由此進一步允許降低操作電壓。
圖4a是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的阻變存儲器陣列的立體圖，圖4b是沿著圖4a的線A-A’截取的截面圖，圖4c是沿著圖4a的線B-B’截取的截面圖，以及圖4d是沿著圖4a的線C-C’截取的截面圖。
參見圖4a至圖4d，根據(jù)第二實施例的阻變存儲器陣列與圖3a至圖3e所示的阻變存儲器件相同，除了由第一導(dǎo)線110構(gòu)成的下電極、設(shè)置在第一導(dǎo)線110的兩側(cè)的上部的第一電阻層131和第二電阻層132、以及由第二導(dǎo)線150 (大體以直角與第一導(dǎo)線110相交叉，并且具有向下形成的突出部A以接觸第一電阻層131和第二電阻層32)構(gòu)成的上電極構(gòu)成單位阻變存儲器單元以及第一導(dǎo)線110的上表面不具有凹凸形狀以外。因而，此處將省略對根據(jù)第二實施例的阻變存儲器件的結(jié)構(gòu)和材料的重復(fù)描述。更具體地，突出部A形成在第一電阻層131和第二電阻層132上，并且向下突出到比第一導(dǎo)線110的上表面更低的高度。即使在此情況下，根據(jù)第二實施例的阻變存儲器件也具有與圖3a至圖3e所示的阻變存儲器件相同的效果。
圖5a是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的阻變存儲器陣列的立體圖，圖5b是沿著圖5a的線A-A’截取的截面圖，圖5c是沿著圖5a的線B-B’截取的截面圖，以及圖5d是沿著圖5a的線C-C’截取的截面圖。
參見圖5a至圖5d，在根據(jù)第三實施例的阻變存儲器件中，在包括上邊緣的第一導(dǎo)線110的側(cè)表面上形成導(dǎo)電圖案140以與第二導(dǎo)線150接觸，第一電阻層131和第二電阻層132插入在第一導(dǎo)線110與導(dǎo)電圖案140之間。另外，根據(jù)第三實施例的阻變存儲器件與圖3a至圖3e所示的阻變存儲器件相同，除了第一導(dǎo)線110的上邊緣未被刻蝕、導(dǎo)電圖案140的上部具有比下部更大的寬度、以及第一導(dǎo)線110的上表面不具有凹凸形狀之外。因而，在此處將省略對根據(jù)第三實施例的阻變存儲器件的結(jié)構(gòu)和材料的重復(fù)描述。在本實施例中，由于阻變存儲器包括第一導(dǎo)線110的上邊緣，所以由于電場集聚而可以在低電壓下執(zhí)行阻變存儲器的操作。
另一方面，為了允許導(dǎo)電圖案140例如僅形成在與第二導(dǎo)線150相對應(yīng)的區(qū)域上，導(dǎo)電圖案的元件通過氧化硅層彼此隔離，所述氧化硅層插入在導(dǎo)電圖案140與第二導(dǎo)線150之間，并且是通過將用于導(dǎo)電圖案140的多晶硅層氧化而形成的。
圖6a是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的阻變存儲器陣列的立體圖，圖6b是沿著圖6a的線A-A’截取的截面圖，圖6c是沿著圖6a的線B-B’截取的截面圖，以及圖6d是沿著圖6a的線C-C’截取的截面圖。
參見圖6a至圖6d，在根據(jù)第四實施例的阻變存儲器陣列中，第一電阻層131和第二電阻層132分別設(shè)置在包括上邊緣的每個第一導(dǎo)線110的側(cè)表面上，并且由第二導(dǎo)線150構(gòu)成的上電極被設(shè)置成大體以直角與第一導(dǎo)線110相交叉。這里，每個第二導(dǎo)線150具有突出部A，所述突出部A向下形成為與第一電阻層131和第二電阻層132連接，并且具有寬度沿著向下方向逐步減小的臺階形狀。根據(jù)第四實施例的阻變存儲器件與圖3a至圖3e所示的阻變存儲器件相同，除了第一導(dǎo)線110的上邊緣未被刻蝕、第二導(dǎo)線150具有臺階形狀的突出部A、以及第一導(dǎo)線110的上表面不具有凹凸形狀以外。因而，在此處將省略對根據(jù)第四實施例的阻變存儲器件的結(jié)構(gòu)和材料的重復(fù)描述。具體地，臺階形狀的突出部A形成在第一電阻層131和第二電阻層132上，并且向下突出到比第一導(dǎo)線110的上表面更低的高度。在本實施例中，由于阻變存儲器包括第一導(dǎo)線110的上邊緣，所以阻變存儲器的操作可以通過依靠電場集聚而在低電壓下執(zhí)行。
圖7a是圖3a中所示的阻變存儲器陣列的多層結(jié)構(gòu)的立體圖，圖7b是圖4a中所示的阻變存儲器陣列的多層結(jié)構(gòu)的立體圖，圖7c是圖5a中所示的阻變存儲器陣列的多層結(jié)構(gòu)的立體圖，以及圖7d是圖6a中所示的阻變存儲器陣列的多層結(jié)構(gòu)的立體圖。
參見圖7a，多個單位存儲器層一個層疊在另一個上以形成多層結(jié)構(gòu)，所述多個單位存儲器層中的每個由第一數(shù)據(jù)線WL、第二數(shù)據(jù)線BL、導(dǎo)電圖案140以及第一電阻層131和第二電阻層132構(gòu)成。
更具體地，第一阻變存儲器層、第二阻變存儲器層以及第三阻變存儲器層垂直地層疊以構(gòu)成多層存儲器結(jié)構(gòu)。這里，第一阻變存儲器層包括:第一數(shù)據(jù)線WL111L13，所述第一數(shù)據(jù)線WL111L13被設(shè)置成彼此平行，并且兩側(cè)邊緣被部分地刻蝕以具有凹凸形狀，上部比下部窄；第二數(shù)據(jù)線BL11、L13，所述第二數(shù)據(jù)線BL11、L13被設(shè)置成彼此平行，同時大體以直角與第一數(shù)據(jù)線WLirWL13相交叉；導(dǎo)電圖案140，所述導(dǎo)電圖案140形成在第一阻變存儲器層的與第二數(shù)據(jù)線BL11、L13相對應(yīng)的第一數(shù)據(jù)線WLlfWL13之間；以及第一電阻層131和第二電阻層132，所述第一電阻層131和第二電阻層132插入在相應(yīng)的第一數(shù)據(jù)線WL11 WL13與導(dǎo)電圖案140之間。第二阻變存儲器層包括:第一數(shù)據(jù)線WL21 WL23 ；第二數(shù)據(jù)線BL21、L23，所述第二數(shù)據(jù)線BL21、L23被設(shè)置成彼此平行，同時大體以直角與第一數(shù)據(jù)線WL2rWL23相交叉；導(dǎo)電圖案140，所述導(dǎo)電圖案140形成在第二阻變存儲器層的與第二數(shù)據(jù)線BL21、L23相對應(yīng)的第一數(shù)據(jù)線WL21 WL23之間；以及第一電阻層131和第二電阻層132，所述第一電阻層131和第二電阻層132插入在相應(yīng)的第一數(shù)據(jù)線WL2rWL23與導(dǎo)電圖案140之間。第三阻變存儲器層包括:第一數(shù)據(jù)線WL31 WL33 ;第二數(shù)據(jù)線BL31、L33，所述第二數(shù)據(jù)線BL31、L33被設(shè)置成彼此平行，同時大體以直角與第一數(shù)據(jù)線WL3fWL33相交叉；導(dǎo)電圖案140，所述導(dǎo)電圖案140形成在第三阻變存儲器層的與第二數(shù)據(jù)線BL31、L33相對應(yīng)的第一數(shù)據(jù)線WL3fWL33之間；以及第一電阻層131和第二電阻層132，所述第一電阻層131和第二電阻層132插入在相應(yīng)的第一數(shù)據(jù)線WL3rWL33與導(dǎo)電圖案140之間。這里，第一電阻層131和第二電阻層132中的每個在一個端部與第一數(shù)據(jù)線WL11 WL33連接，而在另一個端部與第二數(shù)據(jù)線BL11 BL33連接。
參見圖7b，多個單位存儲器層一個層疊在另一個上以形成多層結(jié)構(gòu)。這里，每個單位存儲器層由第一數(shù)據(jù)線WL、第二數(shù)據(jù)線BL(每個具有沿著向下方向的突出部A)以及第一電阻層131和第二電阻層132構(gòu)成。突出部A位于第一電阻層131和第二電阻層132上，并且向下突出到比第一導(dǎo)線110的上表面更低的高度。此多層結(jié)構(gòu)與圖7a中所示的相同，除了第二數(shù)據(jù)線BL具有與第一電阻層131或第二電阻層132接觸的突出部A、以及第一數(shù)據(jù)線WL不具有如圖7a示出的導(dǎo)電圖案所示的凹凸形狀以外。因而，在此處將省略對重復(fù)元件的描述。
參見圖7c，多個單位存儲器層一個層疊在另一個上以形成多層結(jié)構(gòu)。這里，每個單位存儲器層由第一數(shù)據(jù)線WL、第二數(shù)據(jù)線BL、導(dǎo)電圖案140 (與每個第一數(shù)據(jù)線WL的相對邊緣重疊，并且上部比下部寬)以及第一電阻層131和第二電阻層132構(gòu)成。此多層結(jié)構(gòu)與圖7a中所示的相同，除了第一數(shù)據(jù)線WL的上部和下部具有相同的寬度、導(dǎo)電圖案140具有“T”形狀(上部具有比下部更寬的寬度)、以及第一數(shù)據(jù)線WL不具有凹凸形狀以外。因而，在此處將省略對重復(fù)元件的描述。
參見圖7d，多個單位存儲器層一個層疊在另一個上以形成多層結(jié)構(gòu)。這里，每個單位存儲器層由第一數(shù)據(jù)線WL、第二數(shù)據(jù)線BL(每個具有突出部A，所述突出部A向下形成以與每個第一數(shù)據(jù)線WL的兩個邊緣重疊，并且上部比下部更寬)以及第一電阻層131和第二電阻層132構(gòu)成。突出部A位于第一電阻層131和第二電阻層132上，并且向下突出到比第一導(dǎo)線110的上表面更低的高度。此多層結(jié)構(gòu)與圖7a中所示的相同，除了第一數(shù)據(jù)線WL的上部和下部具有相同的寬度、第二數(shù)據(jù)線WL的突出部A不形成圖7a中所示的導(dǎo)電圖案而形成為“t”形狀(上部具有比下部更寬的寬度)、以及第一數(shù)據(jù)線WL不具有凹凸形狀以外。因而，在本文中將省略對重復(fù)元件的描述。
如圖7a至圖7d所示，可以利用通過將多個單位阻變存儲器層一個層疊在另一個上而形成的多層阻變存儲器來儲存大量數(shù)據(jù)。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的包括阻變存儲器的電子系統(tǒng)的一個實例的框圖。
參見圖10，電子系統(tǒng)200可以包括:控制器210、輸入/輸出單元220以及存儲器件230?？刂破?10、輸入/輸出單元220以及存儲器件230可以通過總線250耦接。
總線250起到數(shù)據(jù)和/或操作信號的通道的作用。
控制器210可以包括選自微處理器、數(shù)字信號處理器、微控制器以及其它的能夠執(zhí)行其功能的邏輯器件中的至少一種。
輸入/輸出單元220可以包括選自按鍵、鍵盤、顯示設(shè)備等中的至少一種。
存儲器件230儲存由控制器210實施的數(shù)據(jù)和/或指令。存儲器件230可以包括根據(jù)如上所述的實施例的阻變存儲器件。
電子系統(tǒng)200還可以包括用于將數(shù)據(jù)傳送到通信網(wǎng)絡(luò)或者從通信網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)的接口。接口 240可以采用有線或無線的方式來實現(xiàn)。例如，接口 240可以包括天線、有線/無線收發(fā)器等。
電子系統(tǒng)200可以通過移動系統(tǒng)、個人計算機、工業(yè)計算機或用于執(zhí)行其它功能的系統(tǒng)來實現(xiàn)。例如，移動系統(tǒng)可以包括個人數(shù)字助理(PDA)、便攜式計算機、上網(wǎng)本、移動電話、無線電話、筆記本電腦、存儲卡、數(shù)字音樂系統(tǒng)、信息發(fā)送/接收系統(tǒng)等。如果電子系統(tǒng)200可以執(zhí)行無線通信，則電子系統(tǒng)200可以在第三代通信系統(tǒng)的接口協(xié)議(諸如CDMA、GSM、NADC, E-TDMA, WCDMA 以及 CDMA2000)中使用。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的包括阻變存儲器的示例性存儲卡的框圖。
存儲卡300包括存儲器件310和存儲器控制器320。
存儲器件310可以儲存數(shù)據(jù)。存儲器件可以呈現(xiàn)出非易失特性并且即使在電源中斷的情況下也保持儲存的數(shù)據(jù)。存儲器件310可以包括根據(jù)本發(fā)明的上述實施例的存儲器件。
存儲器控制器320可以控制存儲器件310以響應(yīng)于來自主機的讀取/寫入請求來儲存數(shù)據(jù)或讀取儲存的數(shù)據(jù)。
制造阻變存儲器單元的方法-實施例1
圖12至圖18是制造根據(jù)本發(fā)明的第一實施例或第二實施例的阻變存儲器件的方法的截面圖。
出于說明目的，將以圖2的布局圖來描述如下一種存儲器件，所述存儲器件包括第一至第三字線WLl、WL2、WL3 ;第一位線BLl，所述第一位線BLl與字線WLl、WL2、WL3垂直；以及導(dǎo)電圖案140，所述導(dǎo)電圖案140在第一位線BLl之下設(shè)置在相應(yīng)的字線WL1、WL2、WL3之間。與圖3a至圖3e相同的附圖標記表示相同的元件。
參見圖12，在半導(dǎo)體襯底100上形成下電極110。
在形成下電極110之前，執(zhí)行在半導(dǎo)體襯底100上形成構(gòu)成外圍電路的晶體管的工藝以及在外圍電路上形成絕緣層(未示出)的工藝。
下電極110是成為存儲器陣列的字線WL的導(dǎo)電層。下電極110可以經(jīng)由沉積選自金屬電極材料、氮化物電極材料、以及氧化物電極材料中的至少一種來形成，所述金屬電極材料包括諸如鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鉬(Pt)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉻(Cr )、鈦(Ti )、釕(Ru)、鉿(Hf )或錯(Zr )的金屬或者它們的合金,所述氮化物電極材料包括諸如氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)等的金屬氮化物，所述氧化物電極材料包括In203:Sn (IT0), Sn02:F (FTO)^SrTiO3 以及 LaNiO3 等。
電極材料可以經(jīng)由例如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、原子層沉積或分子束外延來沉積。
將沉積的導(dǎo)電層光刻成沿著第一方向以恒定的間隔分隔開并且被設(shè)置成彼此平行的條紋圖案，如 圖2所示。
參見圖13，通過沉積絕緣層使得下電極110能夠被掩埋在絕緣層中，在形成有下電極110的半導(dǎo)體襯底100上形成層間絕緣層120。層間絕緣層120可以由一般用于形成層間絕緣層的材料(例如，氧化娃(Si02)、氮化娃(SiN)等)形成。
可以在下電極上將層間絕緣層120沉積到期望的厚度，同時掩埋下電極110之間的空間。在形成層間絕緣層120之后，可以將層間絕緣層120的表面平坦化以用于隨后的光刻。
隨后，將光致抗蝕劑沉積在層間絕緣層120上，接著曝光并顯影以形成第一光致抗蝕劑圖案PR1，所述第一光致抗蝕劑圖案PRl限定一區(qū)域，用于形成導(dǎo)電圖案140 (見圖2)的導(dǎo)線將形成在所述區(qū)域上。用于導(dǎo)電圖案140 (見圖2)的導(dǎo)線將形成在第一光致抗蝕劑圖案PRl開放的區(qū)域上。
在本實施例中，為了形成用于導(dǎo)電圖案140 (見圖2)的導(dǎo)線，將第一光致抗蝕劑圖案PRl形成為使得可以暴露出圖2中的第二字線WL2和第三字線WL3的側(cè)表面的一部分以及這些字線WL2、WL3之間的層間絕緣層120。
隨后，經(jīng)由用作掩模的第一光致抗蝕劑圖案PRl而使層間絕緣層120和下電極110受到各向異性刻蝕，使得可以部分地刻蝕下電極HO的一側(cè)。結(jié)果，在兩個相鄰的字線之間形成第一溝槽Tl，以暴露出下電極110的一側(cè)的一部分以及兩個相鄰字線之間的層間絕緣層120。這里，為了在下電極110的相對側(cè)放置呈現(xiàn)出不同電學(xué)特性的阻變存儲器，例如，僅在下電極110的一側(cè)刻蝕下電極110，并且將刻蝕執(zhí)行成允許兩個相鄰的下電極彼此面對，如附圖中所示。
可以通過任何已知的工藝來執(zhí)行對下電極110的側(cè)面的刻蝕。例如,經(jīng)由用作掩模的第一光致抗蝕劑圖案PRl來刻蝕層間絕緣層120，以暴露出期望厚度的下電極110，接著額外地刻蝕下電極110，使得下電極110可以被部分地刻蝕。替代地，盡管在附圖中未示出，在形成下電極110的工藝中，利用一般用作多層導(dǎo)線工藝的雙鑲嵌工藝來形成側(cè)表面被部分地刻蝕的下電極110。
以此方式，在隨后的工藝中，通過在下電極110的一側(cè)的被刻蝕的部分上順序地形成電阻層和導(dǎo)電層，在下電極110的一側(cè)形成由下電極、電阻層以及導(dǎo)電層構(gòu)成的阻變存儲器。
參見圖14，在去除第一光致抗蝕劑圖案PRl (見圖13)之后，在所得結(jié)構(gòu)的整個表面上沿著第一溝槽Tl的內(nèi)壁形成阻變存儲器的第一電阻層131。
第一電阻層131可以是過渡金屬氧化物層、硫族化物層、鈣鈦礦層、或摻金屬的固態(tài)電解質(zhì)層。
過渡金屬氧化物層可以由二元氧化物形成，所述二元氧化物包括諸如SiO2、Al2O3或氧化鎳、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈮、氧化鎢、氧化鈷、氧化鉿、氧化銅、氧化鋅等的過渡金屬氧化物(TM0)。例如，二元氧化物可以是Hf02_x、Zr02_x、Y203_x、Ti02_x、NiO1+Nb205_x、Ta205_x、Cu(VY、Fe203_x (0彡x彡1.5，0彡y彡0.5)或鑭族氧化物層。鑭族元素可以包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、釓(Gd)或鏑(Dy)。
硫族化物層可以由 基于諸如GST (GeSbTe)的材料的硫族化物形成，在所述GST(GeSbTe)中，鍺(Ge)、銻(Sb)以及鍺(Te)以期望的比例組合。
鈣鈦礦層可以由諸如STO (SrTi03)、PCMO (PivxCaxMnO3)等的基于鈣鈦礦的材料形成。替代地，鈣鈦礦層可以是摻Cr或Nb的51'21'03層。
另外，摻金屬的固態(tài)電解質(zhì)層可以是摻Ag的GeSe層，即AgGeSe層。
下電極110之間的間隔是具有高高寬比的狹窄區(qū)域。然而，當通過沉積阻變材料來形成第一電阻層131時，下電極110之間的空間可以被阻變材料阻擋。因而，為了保證形成用于導(dǎo)電圖案140 (見圖2)的導(dǎo)線的空間(將在隨后的工藝中形成)，第一電阻層131可以受到額外地刻蝕。第一電阻層131的額外的刻蝕不僅可以保證例如穩(wěn)定地形成用于導(dǎo)電圖案140 (見圖2)的導(dǎo)線的區(qū)域，而且可以保證電阻器的改善的開關(guān)特性。如此，當刻蝕第一電阻層131時，氧空位的量在被刻蝕的區(qū)域中增加，由此改善阻變存儲器的開關(guān)特性。
接著，將導(dǎo)電材料沉積在第一電阻層131上以形成第一導(dǎo)電層141,所述第一導(dǎo)電層141形成用于導(dǎo)電圖案140 (見圖2)的導(dǎo)線。
與下電極110類似，第一導(dǎo)電層141可以通過經(jīng)由化學(xué)氣相沉積等來沉積諸如金屬或多晶硅的導(dǎo)電材料而形成。第一導(dǎo)電層141起到將隨后要形成的上電極與其它元件連接的作用。
在形成第一導(dǎo)電層141之后，使第一導(dǎo)電層141的表面受到平坦化，以用于隨后的光刻工藝。
參見圖15，將光致抗蝕劑沉積在第一導(dǎo)電層141上，接著曝光和顯影以形成第二光致抗蝕劑圖案PR2。第一光致抗蝕劑圖案PR2起到限定用于導(dǎo)電圖案140 (見圖2)的導(dǎo)線的一部分的作用。在本實施例中，將第二光致抗蝕劑圖案形成為使得可以暴露出圖2的布局圖中的第一字線WLl和第二字線WL2的側(cè)表面的一部分以及這些字線WLl、WL2之間的第一導(dǎo)電層141。
出于這個目的，利用第二光致抗蝕劑圖案PR2作為掩模，使第一電阻層131、被暴露的第一導(dǎo)電層141之下的層間絕緣層120和下電極110、以及被暴露的第一導(dǎo)電層141受到各向異性刻蝕。結(jié)果，第二溝槽T2形成在兩個相鄰的字線之間，以暴露出下電極110的另一側(cè)的一部分，以及兩個相鄰的字線之間的層間絕緣層120。第一溝槽Tl和第二溝槽T2交替地布置并且彼此平行。當刻蝕下電極110時，部分地刻蝕下電極的上側(cè)表面，使得兩個相鄰的下電極110的側(cè)表面彼此面對。
參見圖16，在去除第二光致抗蝕劑圖案PR2 (見圖13)之后，在所得結(jié)構(gòu)的整個表面上沿著第二溝槽T2的內(nèi)壁形成阻變存儲器的第二電阻層132。第二電阻層132可以通過與第一電阻層131相同的工藝來形成。例如，第二電阻層132可以通過經(jīng)由典型的沉積工藝來沉積過渡金屬氧化物層、硫族化物層、鈣鈦礦層以及摻金屬的固態(tài)電解質(zhì)層中的一種來形成。
與形成第一電阻層131類似，沉積阻變材料以形成第二電阻層132，接著刻蝕沉積的阻變材料，以保證用于穩(wěn)定地形成第二導(dǎo)電層的空間，并且改善開關(guān)特性。
第二電阻層132被形成為呈現(xiàn)出與第一電阻層131不同的電阻特性。例如，為了呈現(xiàn)出與第一電阻層131不同的電阻特性，第二電阻層132可以由與第一電阻層131不同的材料構(gòu)成，或可以由與第一電阻層131具有不同特性(諸如不同的厚度或不同大小的與電極的接觸面積)的同種材料構(gòu)成。由于一個下電極110在其相對側(cè)形成有兩個電阻層131、132，所以為一個字線提供兩個阻變存儲器。此配置可以通過形成呈現(xiàn)出不同電阻變化特性的兩個電阻層(即，在不同的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化的兩個電阻層131、132)來獲得。
在形成第二電阻層132之后，在第二電阻層132的表面之上形成第二導(dǎo)電層142。第二導(dǎo)電層142可以由與第一導(dǎo)電層141相同或不同的材料形成。與第一導(dǎo)電層141相似，第二導(dǎo)電層142可以通過經(jīng)由典型的沉積工藝來沉積諸如金屬的任何已知的電極材料而形成。
參見圖17，使第二導(dǎo)電層142、第二電阻層132、第一導(dǎo)電層141以及第一電阻層131受到各向異性刻蝕，使得第一導(dǎo)電層141和第二導(dǎo)電層142能夠以條紋圖案彼此分隔開?？梢酝ㄟ^作為已知平坦化工藝的化學(xué)機械拋光(CMP)來執(zhí)行各向異性刻蝕。
可以執(zhí)行用于第二導(dǎo)電層142、第二電阻層132、第一導(dǎo)電層141以及第一電阻層131的CMP工藝，直到暴露出層間絕緣層120的上表面，使得第一導(dǎo)電層141和第二導(dǎo)電層142能夠以條紋圖案彼此分隔開。
參見圖18，在通過將導(dǎo)電材料沉積在所得結(jié)構(gòu)的整個表面上來形成導(dǎo)電層(未示出)之后，通過將導(dǎo)電層圖案化成條紋圖案來形成位線150，以與將要用作字線的下電極110相交叉。
可以通過利用諸如PR圖案(未示出)的掩模將導(dǎo)電層圖案化來形成位線150，以與下電極110相交叉。在形成位線150之后去除掩模。
當形成位線150時，刻蝕與位線150之間的空間相對應(yīng)的第一導(dǎo)電層141和第二導(dǎo)電層142 (見圖17)。
這里，可以使第一導(dǎo)電層141和第二導(dǎo)電層142受到濕法刻蝕，所述濕法刻蝕相對于第一導(dǎo)電層141和第二導(dǎo)電層142具有比位線150更高的刻蝕選擇性(刻蝕速度)。
結(jié)果，由第一導(dǎo)電層141或第二導(dǎo)電層142構(gòu)成的導(dǎo)電圖案140在字線之間形成在與位線150相對應(yīng)的區(qū)域中。以此方式，導(dǎo)電圖案140的元件彼此不連接。
另外，在用于形成導(dǎo)電圖案140的刻蝕期間，可以部分地刻蝕位線150之間的字線。在此情況下，可以將字線形成為凹凸形狀，其中，凸面部分形成在與位線150相對應(yīng)的區(qū)域中，而凹面部分形成在位線150之間。
制造阻變存儲器單元的方法-實施例2
在圖18中，當?shù)谝粚?dǎo)電層141和第二導(dǎo)電層142由多晶硅形成時，在形成位線150之后，不刻蝕第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層，而是將與位線150之間的空間相對應(yīng)的第一導(dǎo)電層141和第二導(dǎo)電層142氧化。
由于與位線150之間的空間相對應(yīng)的第一導(dǎo)電層141和第二導(dǎo)電層142由氧化硅層形成，所以導(dǎo)電圖案140例如僅形成在與位線150相對應(yīng)的字線之間。結(jié)果，導(dǎo)電圖案140的元件彼此不連接。
其余的下電極110、第一電阻層131和第二電阻層132以及位線150的形成可以與上述第一實施例相同，在此處將省略對其詳細描述。
制造阻變存儲器單元的方法-實施例3
圖19至圖25是制造根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的阻變存儲器件的方法的截面圖。
出于說明目的，將以圖2的布局圖來描述如下一種存儲器件，所述存儲器件包括第一至第三字線WL1、WL2、WL3以及與字線WL1、WL2、WL3垂直的第一位線BL1。與圖3a至圖3e相同的附圖標記表示相同的元件。
參見圖19，在半導(dǎo)體襯底100上形成下電極110，所述下電極110呈沿著第一方向以恒定間隔彼此分隔開并且被設(shè)置成彼此平行的條紋圖案。
參見圖20，通過沉積絕緣層使得下電極110能夠掩埋在絕緣層中，在形成有下電極110的半導(dǎo)體襯底100上形成層間絕緣層120。
接著，經(jīng)由用作掩模的第一光致抗蝕劑圖案PRl (限定形成用于導(dǎo)電圖案140 (見圖2)的導(dǎo)線的區(qū)域)而使下電極110的一側(cè)的一部分和層間絕緣層120受到各向異性刻蝕，使得第一溝槽Tl形成在兩個相鄰字線WL2、WL3之間，以暴露出下電極110的一側(cè)的一部分和兩個相鄰字線WL2、WL3之間的層間絕緣層120。
參見圖21，在去除第一光致抗蝕劑圖案PRl (見圖20)之后，在所得結(jié)構(gòu)的整個表面上沿著第一溝槽Tl的內(nèi)壁形成阻變存儲器的第一電阻層131。
在形成第一電阻層131之后，可以使第一電阻層131受到額外地刻蝕，以將第一電阻層131去除到期望的厚度，從而保證兩個下電極110之間的空間，同時經(jīng)由氧空位量的增加而改善電阻器的開關(guān)特性。
由于圖19至圖21中所示的下電極110、層間絕緣層120、第一光致抗蝕劑圖案PR1、第一溝槽Tl以及第一電阻層131的材料和形成與圖12至圖14中所示的第一實施例相同，所以在此處將省略對其的重復(fù)描述。
參見圖22，將光致抗蝕劑沉積在第一電阻層131上，接著曝光并顯影以形成第二光致抗蝕劑圖案PR2，所述第二光致抗蝕劑圖案PR2將限定將要形成用于導(dǎo)電圖案140 (見圖2)的導(dǎo)線的區(qū)域。
接著，利用第二光致抗蝕劑圖案PR2作為掩模，使下電極110的另一側(cè)的一部分和層間絕緣層120受到各向異性刻蝕。結(jié)果，在兩個相鄰的字線WL1、WL2之間形成第二溝槽T2，以暴露出下電極110的另一側(cè)的一部分和兩個相鄰字線WL1、WL2之間的層間絕緣層120。第一溝槽Tl和第二溝槽T2交替地布置并且彼此平行。
為了將呈現(xiàn)出不同電學(xué)特性的阻變存儲器放置在下電極110的相對側(cè)，例如僅在下電極110的另一側(cè)刻蝕下電極110，并且執(zhí)行刻蝕以允許兩個相鄰的下電極110彼此面對，如附圖中所示。
參見圖23，在所得結(jié)構(gòu)的整個表面上沿著第二溝槽T2的內(nèi)壁形成阻變存儲器的第二電阻層132。第二電阻層132的材料和形成與第一實施例相同，所以在此處將省略對其的詳細描述。
參見圖24，使第二電阻層132、第二光致抗蝕劑圖案PR2、第一電阻層131以及層間絕緣層120受到各向異性刻蝕，直到暴露出層間絕緣層120的上表面。例如，可以通過CMP來執(zhí)行刻蝕。
隨后，去除其余的第二光致抗蝕劑圖案PR2。結(jié)果，在下電極110的一側(cè)形成第一電阻層131，而在下電極110的另一側(cè)形成第二電阻層132，以與第一電阻層131面對。
參見圖25，在通過將導(dǎo)電材料沉積在第一電阻層131和第二電阻層132以及層間絕緣層120的上表面來形成導(dǎo)電層(未示出)之后，通過將導(dǎo)電層圖案化成條紋形狀來形成位線150，以與下電極110相交叉。
結(jié)果，形成位線150， 每個位線150具有向下形成的突出部A以與第一電阻層131或第二電阻層132接觸。突出部A突出到比下電極110的上表面更低的高度。
除了位線150被形成為具有突出部A以外，本實施例中的位線150的材料與第一實施例相同，因此在此處將省略對其的重復(fù)描述。
制造阻變存儲器單元的方法-實施例4
圖26至圖29是制造根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的阻變存儲器件的方法的截面圖。在第四實施例中，首先將下電極形成為具有部分刻蝕的側(cè)表面，接著是隨后的工藝。形成下電極之后的工藝與第一實施例大體相同，因此只簡要地描述。與第一實施例相同的附圖標記表示相同的元件。
參見圖26，在半導(dǎo)體襯底100上形成第一掩模層102。在形成光致抗蝕劑圖案(未示出)之后，經(jīng)由用作掩模的光致抗蝕劑圖案而使第一掩模層102受到圖案化。隨后，暴露出將要形成圖2的布局圖中的彼此平行的多個字線WL1、WL2、WL3、…、WLn的區(qū)域。
將第一掩模層102形成到具有足夠的厚度，以形成如圖3b中所示的下電極的下部區(qū)域，并且第一掩模層102可以由相對于下電極的材料具有刻蝕選擇性的材料形成。第一掩模層102可以經(jīng)由化學(xué)氣相沉積(CVD)而由氧化硅(Si02)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)或它們的組合形成。
隨后，通過用導(dǎo)電材料填充暴露出的區(qū)域來形成下導(dǎo)電層104以形成下電極?？梢酝ㄟ^沉積選自鉬(Pt)、金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)、鈦(Ti)以及它們的合金，包括TiN或WN的氮化物電極材料，以及包括In2O3 = Sn (ITO)^SnO2:F (FTO)、SrTi03、LaNiO3等的氧化物電極材料中的至少一種來形成下導(dǎo)電層104。在沉積導(dǎo)電材料之后，可以執(zhí)行適合的平坦化工藝，諸如回刻蝕或CMP。
參見圖27，形成第二掩模層106以在形成有下導(dǎo)電層104的半導(dǎo)體襯底100上限定下電極的上部區(qū)域。將第二掩模層106形成為暴露出下導(dǎo)電層104的上表面的一部分。可以通過與第一掩模層102相同的工藝來形成第二掩模層106。另外,第二掩模層106可以由與第一掩模層102相同種類的材料形成，以相對于下導(dǎo)電層104具有刻蝕選擇性。
在形成暴露出將要形成下電極的上部區(qū)域的區(qū)域的第二掩模層106之后，利用用于下電極的導(dǎo)電材料來填充暴露出的區(qū)域，以形成寬度比下導(dǎo)電層104更窄的上導(dǎo)電層108。形成上導(dǎo)電層108的工藝可以與用于下導(dǎo)電層104的工藝相同。以此方式，可以形成下電極使得下電極110的上側(cè)表面被部分地刻蝕。
參見圖28，通過在形成有被部分刻蝕的上側(cè)表面的下電極110的所得結(jié)構(gòu)上將絕緣材料沉積到期望的厚度來形成第一層間絕緣層120?？梢栽诒Ａ粲械谝谎谀?02和第二掩模層106 (見圖27)的下電極110的上側(cè)將第一層間絕緣層120沉積到期望的厚度。替代地，在去除第一掩模層102和第二掩模層106 (見圖27)之后，可以形成第一層間絕緣層 120。
接著，在第一層間絕緣層120上形成光致抗蝕劑圖案PR3，所述光致抗蝕劑圖案PR3用于限定將要形成用于導(dǎo)電圖案的導(dǎo)線的區(qū)域。隨后，經(jīng)由用作掩模的光致抗蝕劑圖案PR3使第一層間絕緣層120受到刻蝕，以在兩個相鄰的字線之間形成第一溝槽Tl，從而暴露出下電極110的一側(cè)的一部分和兩個相鄰字線之間的層間絕緣層120。本實施例不需要相對于下電極110的額外刻蝕。
參見圖29，在去除光致抗蝕劑圖案PR3 (見圖28)之后，在包括刻蝕區(qū)域的整個表面上沉積在一定的電壓下呈現(xiàn)出高電阻變化的阻變材料以形成第一電阻層131，并且在第一電阻層131上沉積導(dǎo)電材料以形成用于形成導(dǎo)電圖案的導(dǎo)線的第一導(dǎo)電層141。
用于形成第一電阻層131和第一導(dǎo)電層141的工藝可以與第一實施例相同。
隨后，參照第一實施例的工藝，執(zhí)行隨后的工藝以制造根據(jù)圖3b所示的實施例的阻變存儲器件。
根據(jù)實施例，阻變存儲器設(shè)置在與位線相交叉的一個字線的相對側(cè)，使得在占據(jù)相同面積的同時可以使存儲器單元的數(shù)目增加兩倍。另外，設(shè)置在字線的相對側(cè)的可變電阻層由在不同電壓下呈現(xiàn)出電阻變化的不同材料構(gòu)成，或由具有不同特性(諸如不同的厚度或不同大小的與電極的接觸面積)的同種材料構(gòu)成，使得兩個阻變存儲器可以根據(jù)字線和位線之間的電壓差來儲存不同的數(shù)據(jù)，由此實現(xiàn)多電平器件。
另外，阻變存儲 器形成在字線的包括字線邊緣的側(cè)表面上，或形成在字線的已經(jīng)刻蝕了字線的一部分的側(cè)表面上。因而，當電壓施加到字線以用于數(shù)據(jù)的編程、擦除或讀取時，大部分電場集中在字線的邊緣或被刻蝕的邊緣，由此與現(xiàn)有阻變存儲器相比以更低的電壓將阻變存儲器的操作使能。另外，可變電阻層可以形成得盡可能小，由此進一步降低操作電壓。
盡管本文已經(jīng)描述了一些實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解的是，給出這些實施例僅是出于說明的目的，在不脫離本發(fā)明的范圍與精神的情況下，可以進行各種修改、變化以及替換。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當僅由所附權(quán)利要求及其等同物來限定。
權(quán)利要求
1.一種阻變存儲器件，包括: 下電極，所述下電極設(shè)置在襯底上； 第一電阻層和第二電阻層，所述第一電阻層和所述第二電阻層分別設(shè)置在所述下電極的相對側(cè)，并且分別在不同的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化；以及 上電極，所述上電極設(shè)置在所述第一電阻層和所述第二電阻層上。
2.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲器件，其中，所述第一電阻層和所述第二電阻層設(shè)置在所述下電極的包括所述下電極的上相對邊緣的相對側(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲器件，其中，所述第一電阻層和所述第二電阻層由不同的材料形成。
4.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲器件，其中，所述第一電阻層和所述第二電阻層由同種材料形成，具有分別不同厚度或分別不同大小的與所述下電極或所述上電極的接觸面積。
5.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲器件，其中，所述第一電阻層和所述第二電阻層由選自金屬氧化物層、PCMO層、硫族化物層、鈣鈦礦層以及摻金屬的固態(tài)電解質(zhì)層中的至少一種構(gòu)成，所述 PCMO 層是 PivxCaxMnO3,0〈X〈1。
6.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲器件，其中，所述上電極包括突出部，所述突出部設(shè)置在所述第一電阻層和所述第二電阻層上，并且向下形成到比所述下電極的上表面更低的高度。
7.如權(quán)利要 求1所述的阻變存儲器件，其中，所述上電極與導(dǎo)電圖案接觸，所述導(dǎo)電圖案設(shè)置在所述第一電阻層和所述第二電阻層上，并且向下突出到比所述下電極的上表面更低的高度。
8.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲器件，其中，所述下電極的上部比下部窄。
9.如權(quán)利要求1所述的阻變存儲器件，其中，所述阻變存儲器件以單極性開關(guān)模式或雙極性開關(guān)模式來操作。
10.一種阻變存儲器件，包括: 多個第一導(dǎo)線，所述多個第一導(dǎo)線設(shè)置成彼此平行； 多個第二導(dǎo)線，所述多個第二導(dǎo)線設(shè)置成彼此平行，同時大體以直角與所述第一導(dǎo)線相交叉；以及 阻變存儲器單元，所述阻變存儲器單元設(shè)置在所述第一導(dǎo)線與所述第二導(dǎo)線之間的交叉處， 所述阻變存儲器單元中的每個包括第一電阻層和第二電阻層，所述第一電阻層與所述第一導(dǎo)線中的相應(yīng)一個第一導(dǎo)線的一側(cè)連接，并且在一定的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化，所述第二電阻層與所述相應(yīng)導(dǎo)線的相對側(cè)連接，并且在與所述第一電阻層不同的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化。
11.如權(quán)利要求10所述的阻變存儲器件，其中，所述第一電阻層和所述第二電阻層與所述相應(yīng)第一導(dǎo)線的側(cè)表面和所述相應(yīng)第一導(dǎo)線的相對上邊緣接觸。
12.如權(quán)利要求10所述的阻變存儲器件，其中，所述第二導(dǎo)線中的每個包括突出部，所述突出部分別設(shè)置在所述第一電阻層和所述第二電阻層上，并且向下形成到比所述第一導(dǎo)線的上表面更低的高度。
13.如權(quán)利要求10所述的阻變存儲器件，其中，所述第二導(dǎo)線中的每個與導(dǎo)電圖案接觸，所述導(dǎo)電圖案分別設(shè)置在所述第一電阻層和所述第二電阻層上，并且向下突出到比所述第一導(dǎo)線的上表面更低的高度。
14.如權(quán)利要求13所述的阻變存儲器件，其中，所述第一電阻層或所述第二電阻層插入在所述第一導(dǎo)線和所述導(dǎo)電圖案之間。
15.如權(quán)利要求10所述的阻變存儲器件，其中，所述第一電阻層和所述第二電阻層分別由不同的材料形成。
16.如權(quán)利要求10所述的阻變存儲器件，其中，所述第一電阻層和所述第二電阻層由同種材料形成，具有分別不同厚度或分別不同大小的與所述第一導(dǎo)線或所述第二導(dǎo)線的接觸面積。
17.如權(quán)利要求10所述的阻變存儲器件，其中，多個單位存儲器層一個層疊在另一個上，所述多個單位存儲器層中的每個由所述第一導(dǎo)線和所述第二導(dǎo)線以及設(shè)置在所述第一導(dǎo)線和所述第二導(dǎo)線之間的交叉處的所述阻變存儲器單元構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求10所述的阻變存儲器件，其中，所述第一導(dǎo)線中的每個的上部比下部窄。
19.如權(quán)利要求10所述的阻變存儲器件，其中，所述阻變存儲器件以單極性開關(guān)模式或雙極性開關(guān)模式來操作。
20.一種阻變存儲器件，包括: 多個第一數(shù)據(jù)線，所述多個第一數(shù)據(jù)線設(shè)置成彼此平行； 多個第二數(shù)據(jù)線，所述多個第二數(shù)據(jù)線設(shè)置成彼此平行，同時大體以直角與所述第一數(shù)據(jù)線相交叉；以及 第一阻變存儲器和第二阻變存儲器，所述第一阻變存儲器和所述第二阻變存儲器分別設(shè)置在位于所述第一數(shù)據(jù)線與所述第二數(shù)據(jù)線之間的每個交叉處的每個第一數(shù)據(jù)線的相對側(cè)，并且在一定的電壓下分別呈現(xiàn)出不同的電阻變化特性。
21.如權(quán)利要求20所述的阻變存儲器件，其中，所述第二數(shù)據(jù)線通過形成在所述第一數(shù)據(jù)線之間的導(dǎo)電圖案而與所述第一存儲器和所述第二存儲器連接。
22.如權(quán)利要求20所述的阻變存儲器件，還包括: 控制器件，所述控制器件設(shè)置在每個第二數(shù)據(jù)線與所述第一阻變存儲器和所述第二阻變存儲器之間，以控制流入所述第一阻變存儲器和所述第二阻變存儲器的電流。
23.如權(quán) 利要求22所述的阻變存儲器件，其中，所述控制器件包括二極管或晶體管。
24.如權(quán)利要求20所述的阻變存儲器件，其中，所述第一阻變存儲器和所述第二阻變存儲器分別包括不同的電阻層，并且所述不同的電阻層在施加的電壓下分別呈現(xiàn)出不同的電阻變化。
25.如權(quán)利要求20所述的阻變存儲器件，其中，所述第一阻變存儲器和所述第二阻變存儲器中的每個在一個端部與所述第一數(shù)據(jù)線中的相應(yīng)一個連接，并且在另一個端部與所述第二數(shù)據(jù)線中的相應(yīng)一個連接。
26.如權(quán)利要求20所述的阻變存儲器件，其中，多個單位存儲器層一個層疊在另一個上以構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，所述多個單位存儲器層中的每個由所述第一數(shù)據(jù)線和所述第二數(shù)據(jù)線以及設(shè)置在所述第一導(dǎo)線和所述第二導(dǎo)線之間的交叉處的所述第一阻變存儲器和所述第二阻變存儲器構(gòu)成。
27.如權(quán)利要求20所述的阻變存儲器件，其中，所述阻變存儲器件以單極性開關(guān)模式或雙極性開關(guān)模 式來操作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種阻變存儲器件，所述阻變存儲器件包括下電極，所述下電極設(shè)置在襯底上；第一電阻層和第二電阻層，所述第一電阻層和所述第二電阻層分別設(shè)置在下電極的相對側(cè)，并且分別在不同的電壓下呈現(xiàn)出電阻變化；以及上電極，所述上電極設(shè)置在第一電阻層和第二電阻層上。
文檔編號G11C11/56GK103199193SQ201210591220
公開日2013年7月10日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者李宰演 申請人:愛思開海力士有限公司