專利名稱：包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器(nonvolatile memory device)。
背景技術(shù)：
近年來，人們對半導體存儲器已經(jīng)進行了大量的研究，以增加單位面積的存儲單元數(shù)量(即集成密度)和操作速度，并用低電力驅(qū)動，并且已經(jīng)研制出各種類型的存儲器。
通常，半導體存儲器包括很多通過電路連接的存儲單元。動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)是有代表性的半導體存儲器，單位存儲單元一般由一個開關(guān)和一個電容組成。這樣的DRAM有利于增高集成密度和增快操作速度。然而，當電力供應(yīng)切斷時，DRAM丟掉所有的存儲數(shù)據(jù)。
比較起來，一些非揮發(fā)性存儲器，比如快閃存儲器，即使突然斷電仍可以保存存儲的數(shù)據(jù)?？扉W存儲器有非揮發(fā)性的特點，但是比揮發(fā)性的存儲器集成密度低和運行速度慢。
現(xiàn)在，這樣的非揮發(fā)性存儲器在艱苦地研究中，如磁隨機存取存儲器(MRAM)、鐵電隨機存取存儲器(FRAM)和相變(phase-change)隨機存取存儲器(PRAM)等。
MRAM利用在隧道結(jié)中的磁化方向的變化來存儲數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM利用鐵電體材料的極化方向來存儲數(shù)據(jù)。雖然MRAM和FRAM具有各自的優(yōu)點和缺點，但是它們主要具有如上所述的集成信息密度高、運行速度快和可以用低電力驅(qū)動等特點。而且，研究證明MRAM和FRAM有很好的數(shù)據(jù)保存的特點。
此外，PRAM是利用某種材料的特性，即隨著相變而產(chǎn)生的電阻改變來存儲數(shù)據(jù)的一種存儲器，其包括一個電阻器和一個開關(guān)(晶體管)。用于PRAM的電阻器是一種硫化物(VI族化合物，calcogenide)電阻器，其根據(jù)該電阻形成時控制的溫度變?yōu)榫w或非晶體。PRAM是在晶體電阻器比非晶體電阻器更具阻抗性的原理上形成的。在采用傳統(tǒng)的DRAM的生產(chǎn)工藝制造PRAM時，執(zhí)行蝕刻工藝變得復雜又耗時。相應(yīng)地，存儲器的生產(chǎn)率降低而生產(chǎn)成本增加，這樣減弱了其競爭力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器，其用簡單工藝制造，可以用低電力驅(qū)動，具有快的運作速度。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器。該存儲器包括一個底部電極；一個電阻器結(jié)構(gòu)，布置在底部電極上；一個二極管結(jié)構(gòu)，布置在電阻器結(jié)構(gòu)上；和一個頂部電極，布置在二極管結(jié)構(gòu)上。
電阻器結(jié)構(gòu)可以包括緩沖層，布置在底部電極上；和數(shù)據(jù)存儲層，布置在緩沖層上。
電阻結(jié)構(gòu)可以至少由下述一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
二極管結(jié)構(gòu)可以包括第一氧化層，布置在電阻器結(jié)構(gòu)上；第二氧化層，布置在第一氧化層上。此外，第一氧化層可以由p-型氧化物形成，而第二氧化層可以由n-型氧化物形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器的陣列。該陣列包括至少二條位線，以規(guī)則間隔排列；至少二條字線，以規(guī)則間隔排列，并布置成與位線相交；電阻器結(jié)構(gòu)，布置在每個位線和字線相交處的位線上；以及二極管結(jié)構(gòu)，其設(shè)置成與電阻器結(jié)構(gòu)和字線相接觸。


本發(fā)明的上述和其它特點及優(yōu)點參照附圖通過對示范性實施例的詳細描述從此將變得更為顯見，其中圖1A圖解了根據(jù)本發(fā)明一個示范性實施例的非揮發(fā)性存儲器，其包括一個電阻器和一個二極管；圖1B是表示如圖1A所示包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器所用材料特性的示意圖；圖2圖解了如圖1A所示的非揮發(fā)性存儲器的陣列結(jié)構(gòu)。
圖3是如圖2所示包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器陣列等效電路的示意圖；圖4是表示圖1所示包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器運行特性的示意圖；和圖5是解釋如圖2和3所示包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器運行原理的示意圖。
具體實施例方式
在下文，將參照附圖更全面地介紹根據(jù)本發(fā)明的包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器，附圖中示出了本發(fā)明的示范性實施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器的截面視圖。
參照圖1A，非揮發(fā)性存儲器包括基板10、底部電極11、電阻層12和13、二極管結(jié)構(gòu)14和15和頂部電極16，它們順序地疊堆起來。這里，電阻層12和13起到數(shù)據(jù)存儲部分的作用。第一電阻層12作為緩沖層，而第二電阻層13作為數(shù)據(jù)存儲層。起到緩沖層作用的第一電阻層12可以任選形成。二極管結(jié)構(gòu)14和15是p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，且包括第一氧化層14和第二氧化層15。
在此情況下，基板10可以是半導體基板，例如用于傳統(tǒng)半導體裝置上的硅(Si)基板。底部和頂部電極11和16可以由導體材料形成，例如傳統(tǒng)上用于半導體裝置電極的金屬。特別是，用于底部電極11的材料可以根據(jù)形成于其上的材料的種類選擇地決定。第一和第二電阻層12和13在底部電極11上形成。第一和第二電阻層12和13可以由過渡金屬氧化物形成，例如NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO、Nb2O5中的至少一種。第一和第二電阻層12和13可以由相同的材料形成，例如NiO。
第一氧化層14可以由p-型氧化物形成，而第二氧化層15可以由n-型氧化物形成。例如，第一和第二氧化層14和15可以通過控制氧的比率得到透明的過渡金屬氧化物。過渡金屬氧化物具有導電特性，其隨著過渡金屬結(jié)合氧的數(shù)量而變化。第一和第二氧化層14和15可以采用與第二電阻層13相同的材料形成，但是，通過增加比第二電阻層13更多的氧的比率，它們呈現(xiàn)p-型半導體特性或n-型半導體特性。在下文，第一氧化層14和第二氧化層15將分別稱為p-型氧化層14和n-型氧化層15。
圖1B是表示如圖1A所示包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器所用材料特性的示意圖。具體地講，圖1B示出電阻隨著形成NiOx的分數(shù)氧分壓(fraction oxygen partial pressure)的變化關(guān)系。
參照圖1B，當NiOx中氧的比例極小時(區(qū)域“A”)，NiOx類似于鎳的特性。然而，隨著氧的比例逐漸增加(區(qū)域“B”)，電阻快速增大，這顯示了開關(guān)特性。隨著氧比例的進一步增加(區(qū)域“C”)，電阻逐漸減小，這顯示了半導體特性。電阻層12和13的任何一個、p-型氧化層14和n-型氧化層15都可以由諸如氧化鎳(NiOx)的過渡金屬氧化物通過控制氧的比例來形成。在制造工藝上，采用濺射在試件上沉積同樣的過渡金屬，同時適當控制注入反應(yīng)室的氧氣的量，可以依次原位形成電阻層12和13，p-型氧化層14，和n-型氧化層15。當然，顯見NiO之外的其他過渡金屬氧化物及其組合可以表現(xiàn)出類似的特性。
圖2圖解了如圖1A所示包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器的陣列結(jié)構(gòu)。
參照圖2，多個底部電極11規(guī)則間隔布置，而多個頂部電極16布置成與底部電極11相交叉。同樣地，電阻層12和13及p-n結(jié)二極管結(jié)構(gòu)14和15在底部電極11和頂部電極16的每個交叉點上形成。
圖3是如圖2所示包括一個電阻和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器陣列的等效電路圖。
在下文，將參照圖4描述根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器第二電阻層13的電特性。在圖4中，橫軸表示通過頂部和底部電極16和11施與的電壓，縱軸表示通過第二電阻層13的電流。
圖4示出二個電流-電壓曲線G1和G2。曲線G1給出第二電阻層13的電阻降低的例子，即相同的電壓，通過第二電阻層13的電流增大。相比之下，曲線G2給出第二電阻層13的電阻增高的例子，即相同的電壓，通過第二電阻層13的電流減小。在本發(fā)明中，包括一個電阻器和一個二極管的半導體存儲器利用如下詳細描述的不同的電流-電阻特性。
開始，當施與電壓從0到1V逐漸增加時，電流沿著曲線G1成比例增加。然而，隨著電壓施與到1V，電流突然減小，并沿著曲線G2變化。這一現(xiàn)象在V1≤V≤V2范圍內(nèi)也在繼續(xù)。此外，當施與電壓在V2＜V時，電流再次沿著曲線G1增加。在這里，在曲線G1中的電阻稱為第一電阻，而在曲線G2中的電阻稱為第二電阻?？梢姷诙娮鑼?3的電阻在V1≤V≤V2范圍內(nèi)突然增加。
從而，本發(fā)明者確認，根據(jù)本發(fā)明的包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器有如下特性。開始，在施與電壓在V1≤V≤V2范圍內(nèi)之后，當施與電壓范圍V＜V1時，檢測出的電流是基于曲線G2的。在施與電壓在V2＜V范圍內(nèi)之后，當施與電壓范圍V＜V1時，檢測出的電流是基于曲線G1的。因此，非揮發(fā)性存儲器可以相應(yīng)地運用上述特性運行。
也就是說，根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器，當通過底部和頂部電極11和16施與范圍為V2＜V的電壓時，第一電阻存儲在第二電阻層13中。同樣地，當電壓施與范圍在V1≤V≤V2時，第二電阻存儲在第二電阻層13中。由施與電壓小于V1并讀取電流值，就可以讀取存儲在第二電阻層13中的存儲狀態(tài)。
圖5是解釋如圖2和3所示包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器運行原理的示意圖。圖5圖解了四個存儲單元‘a(chǎn)a’，‘a(chǎn)b’，‘ba’，‘bb’，而每個位線B1和B2及字線W1和W2由一對單元共用。
在第二電阻層13中存儲第一電阻(圖4所示曲線G1)的過程稱為編程過程(設(shè)置)，而在第二電阻層13中存儲第二電阻(圖4所示曲線G2)的過程稱為擦除過程(重置)。
為了在圖5所示‘a(chǎn)a’單元存儲第一電阻，就要施與V2或更高的電壓。為了這樣運行，給位線B1和字線W2施與V0(V2＜V0)的電壓。這樣，因為在頂和底部電極之間沒有電位差，所以‘a(chǎn)b’和‘ba’單元不運行。同樣，因為在其上施與反向電壓，所以‘bb’單元也不運行。因此第一電阻僅在‘a(chǎn)a’單元存儲。
此后，為了在‘a(chǎn)a’單元存儲第二電阻，應(yīng)該施與V1≤V≤V2的電壓。為了實現(xiàn)這樣的運行，V1≤V≤V2的電壓僅施與位線B1和字線W2，而位線B2和字線W1接地。于是，第一電阻從‘a(chǎn)a’單元的第二電阻層13中擦除，而第二電阻在第二電阻層13中編程。第一電阻可以設(shè)計為‘0’，而第二電阻可以設(shè)計為‘1’，反過來設(shè)計也是可能的。
此外，‘a(chǎn)a’單元的第二電阻層13即數(shù)據(jù)存儲層的電阻狀態(tài)可以采用通過給‘a(chǎn)a’單元施與比V1小的電壓Vr來測量電流值讀取。在此情況下，如上所述，電壓Vr僅施與給位線B1和字線W2，這可以確定所測量的電流對應(yīng)于圖4所示的相應(yīng)的曲線G1還是曲線G2，并讀取所存儲的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明有如下優(yōu)點第一，非揮發(fā)性存儲器的單位單元結(jié)構(gòu)包括一個二極管和一個電阻器，其依次疊堆。這樣，非揮發(fā)性存儲器和其陣列單元結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上非常簡單。
第二，本發(fā)明的非揮發(fā)性存儲器可以采用傳統(tǒng)的DRAM制造工藝形成。與包括傳統(tǒng)開關(guān)裝置的存儲器不同，在其上形成的電阻層和二極管結(jié)構(gòu)可以通過控制氧的比例就地形成。結(jié)果，非揮發(fā)性存儲器的制造非常簡單，因此提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本。
第三，考慮到本發(fā)明的運行原理，采用具有獨特特性的材料這一簡單方法可以存儲和復制數(shù)據(jù)，這樣能夠使存儲器高速運行。
盡管本發(fā)明參照示范性實施例已經(jīng)進行詳細示出和描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認識到，在其上進行的形式上和細節(jié)上的各種變化都不能脫離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器，其包括底部電極；電阻器結(jié)構(gòu)，其布置在該底部電極上；二極管結(jié)構(gòu)，其布置在該電阻器結(jié)構(gòu)上；和頂部電極，其布置在該二極管結(jié)構(gòu)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲器，其中，該電阻器結(jié)構(gòu)包括緩沖層，其布置在該底部電極上；和數(shù)據(jù)存儲層，其布置在該緩沖層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲器，其中，該電阻器結(jié)構(gòu)至少由下述一組材料中選出的一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲器，其中，該二極管結(jié)構(gòu)包括第一氧化層，其布置在該電阻結(jié)構(gòu)上；和第二氧化層，其布置在該第一氧化層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非揮發(fā)性存儲器，其中，該第一氧化層由p-型氧化物形成，該第二氧化層由n-型氧化物形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非揮發(fā)性存儲器，其中，p-型氧化物和n-型氧化物的任何一個至少由下述一組材料中選出的一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
7.一種包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器的陣列，該陣列包括至少二條位線，它們以規(guī)則間隔排列；至少二條字線，它們以規(guī)則間隔排列，布置成與該位線相交叉。電阻器結(jié)構(gòu)，其布置在該位線和字線的每個交叉點處的該位線上。二極管結(jié)構(gòu)，其布置成與該電阻器結(jié)構(gòu)和該字線相接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陣列，其中，該電阻器結(jié)構(gòu)包括緩沖層，其布置在該底部電極上；和數(shù)據(jù)存儲層，其布置在該緩沖層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陣列，其中，該電阻器結(jié)構(gòu)至少由下述一組材料中選出的一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陣列，其中，該二極管結(jié)構(gòu)包括第一氧化層，其布置在該電阻器結(jié)構(gòu)上；和第二氧化層，其布置在該第一氧化層上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的陣列，其中，該第一氧化層由p-型氧化物形成，而該第二氧化層由n-型氧化物形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的陣列，其中，p-型氧化物和n-型氧化物的任何一個至少由下述一組材料中選出的一種材料形成NiO、TiO2、HfO、ZrO、ZnO、WO3、CoO和Nb2O5。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括一個電阻器和一個二極管的非揮發(fā)性存儲器。其包括底部電極；電阻器結(jié)構(gòu)，布置在底部電極上；二極管結(jié)構(gòu)，布置在電阻器結(jié)構(gòu)上；和上部電極，布置在二極管結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明的非揮發(fā)性存儲器可以用簡單工藝制造，可以用低電力驅(qū)動，具有快的運作速度。
文檔編號H01L45/00GK1790726SQ20051012043
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者安承彥, 柳寅儆, 鄭鏞洙, 車映官, 李明宰, 徐大衛(wèi), 徐順愛 申請人:三星電子株式會社