专利名称：半导体存储器设备的制作方法
背景技术：
研究人员一直工作致力于增加信息存储器设备的存储密度并且降低存储成本，所述信息存储器设备诸如磁盘驱动器、光驱动器和半导体随机存取存储器。然而，增加存储密度变得越来越困难。常规技术似乎接近存储密度的固有极限。例如，基于常规磁记录的信息存储迅速接近诸如超顺磁(superparamagnetic)极限之类的固有物理限制，在所述超顺磁极限以下磁比特在室温下是不稳定的。
正在研究并开发并不会面临这些固有极限的信息存储器设备。一个这种设备，原子分辨率存储器设备，包括多个电子发射器，其具有贴近存储介质的电子发射表面。在写入操作期间，电子发射器通过以具有适当脉冲形状和幅度的相对较高强度的电子束轰击存储区域来改变存储介质上亚微米大小的存储区域的状态。存储介质处于多晶状态或非晶状态。通过改变存储区域的状态，把比特写入存储区域。
另一这种设备是热随机存取存储器(RAM)。热RAM是一种交叉点存储器，这种交叉点存储器使用电流来改变位于阵列中两个导线的交叉点上存储区域(单元)的状态。典型的热RAM单元包括处于多晶状态或非晶状态的存储区域。通过改变存储区域的状态，把比特写入存储区域。用于驱动状态(即相位)改变的编程电流在几毫安范围之内。使用大面积晶体管来支持编程电流。
需要一种非易失性半导体存储器设备，相对于热RAM具有较低的编程电流，并具有增加的存储容量。
发明内容
本发明的实施例提供了一种半导体存储器设备。在一个实施例中，该半导体存储器设备包括尖端电极、介质电极和存储介质。该存储介质具有存储区域，所述存储区域可通过使电流流过在尖端电极和介质电极之间的存储区域而被配置为处于多个结构状态之一，以用于表示在所述存储区域所存储的信息。
参考以下附图更好地理解本发明的实施例。附图的元素相互之间不必按比例绘制。同样的附图标记指代相应的类似部分。
图1是用于依照本发明图示半导体存储器设备的实施例的侧视图。
图2是用于图示半导体存储器设备一部分的示例性实施例的图。
图3是用于图示探头尖端阵列的实施例的俯视图的图。
图4是用于图示探头尖端阵列的实施例的侧视图的图。
图5是图示用于从半导体存储器设备读取或向其写入的方法的一个实施例的流程图。
图6是用于图示半导体存储器设备的一个示例性实施例的特性的图。
图7是用于图示半导体存储器设备的一个示例性实施例的特性的图。
图8是用于图示半导体存储器设备的一个示例性实施例的特性的图。
图9是用于图示半导体存储器设备的一个示例性实施例的特性的图。
具体实施例方式
图1是用于图示半导体存储器设备30的一个实施例的侧视图。存储器设备30包括多个尖端电极(示出了尖端电极40和尖端电极42)、具有多个存储区域46的存储介质44、介质电极48、微动机(micromover)50和外壳52。尖端电极40和42贴近存储介质44。存储介质44被耦合到微动机50。外壳52封入尖端电极40和42、存储介质44和微动机50。使用半导体微组装技术来制造半导体存储器设备30。
实际存储器设备30包括多个尖端电极、一个或多个存储介质、一个或多个微动机和用于从所述存储介质读取数据并向其写入数据的相关联电路。只示出了两个尖端电极40和42、一个存储介质44和一个微动机50，以简化该图。
存储介质44位于尖端电极40和42以及介质电极48之间。通过使电流60流过存储区域46，所述存储区域46可配置为处于多个结构状态之一。多个结构状态表示在存储区域所存储的信息。在一个实施例中，在尖端电极40和介质电极48之间施加电压来引起电流60流过存储区域40以便在所述存储区域读取和写入信息。
在读取或写入操作期间，尖端电极40和42与存储介质44接触。在尖端电极40和42以及存储介质44之间的尖端接触区域很小。在一个实施例中，尖端接触区域具有在5纳米和50纳米之间的直径范围。很小的尖端接触区域要求较少的功率来在存储区域46读取或写入信息(例如，在3伏或更少的情况下有100微微安或更少的读取或写入电流)。此外，很小的尖端接触区域使得能够在存储介质44上存储更高的数据密度。所要求的实际读取或写入电流取决于用于存储介质44的具体材料。
尖端电极40和42由硅制成。在一个实施例中，尖端电极40和42是“重掺杂的”以便相对于诸如热RAM之类的其它已知设备提供较低的接触电阻以产生较低的读取或写入电流。较低的读取或写入电流在较少体积改变的情况下降低了存储器设备的功率需求并且增加了切换速度并且提高了设备可靠性。在另一实施例中，尖端电极40和42是重掺杂的菱形尖端或金属镀层。在本申请中稍后进一步详细描述尖端电极40和42。
存储介质44是具有第一主要表面60和第二主要表面62的非易失性存储介质。第一主要表面60是暴露的基本上平坦的表面。第二主要表面62接触介质电极48。介质电极48由金属(例如，铜、铝或钼(molyden))或重掺杂的半导体构成。存储介质44包括可配置的且具有多个状态的存储区域46。在一个实施例中，存储区域46具有用于存储信息的第一状态和第二状态。第一状态和第二状态分别被定义为逻辑“0”和逻辑“1”，或反过来。
介质44由相变材料构成。在一个实施例中，相变材料是基于硫化物(chalocogenide)的相变材料。相变材料包括合金Te、Se、Sb、Ni、Ge、In和Ag。在一个实施例中，介质相变材料是Ge(2)、Sb(2)、Te(5)，GST。在写入操作期间，在尖端电极40和42以及介质电极48之间所施加的电压引起电流流过每个存储区域46。电流把每个存储区域46中相变材料的结构状态从多晶状态改变为非晶状态。在其它实施例中，电流把每个存储区域46中相变材料的状态从非晶状态改变到多晶状态。每个存储区域46可以存储信息的一个或多个比特，由非晶或多晶状态表示。
存储区域46在其非晶状态中所检测的电阻大约比存储区域46在其多晶状态中所检测的电阻大100倍。在一个实施例中，在非晶状态中逻辑“0”由大约1.0E+12欧姆到1.0E+13欧姆范围内的电阻表示，并且在多晶状态中逻辑“1”由在大约1.5E+9欧姆到1.5E+10欧姆范围内的电阻表示。实际的电阻范围和读取/写入电压范围取决于实际的介质材料。在一个实施例中，读取电压在.3伏到5.0伏的范围之内，并且写入电压在2.0伏到15.0伏范围之内。
微动机50用于相对于尖端电极40和42移动存储介质44以便向存储介质44读取和写入数据。在一个实施例中，微动机50被耦合到存储介质44，并且尖端电极40和42被固定保持以便相对于探头尖端40和42移动存储介质32。在另一实施例中，微动机50被耦合到尖端电极40和42，并且存储介质44被固定保持以便相对于存储介质44移动尖端电极40和42。
微动机50移动存储介质44以便把尖端电极40和42定位在不同的存储区域46上。微动机50可以采取许多形式，只要它具有足够的范围和分辨率来在存储区域38上定位探头尖端40和42就可以。在一个实施例中，微动机50借助半导体微制造技术来制造，并且被配置为相对于外壳52在X和Y轴方向上扫描存储介质44。
存储器设备30可以包括尖端电极阵列，包括尖端电极40和42。在一个实施例中，在尖端电极阵列中的尖端电极之间的间距在X和Y轴方向上是50微米。每个尖端电极40和42可以访问存储区域46中数万到数亿的比特。例如，尖端电极40和42扫描存储区域46，在存储区域46之间具有大约1到100纳米的间隔。可以同时或依照多路复用方式来寻址尖端电极(例如，尖端电极40和42)。在存储器设备30中并行寻址模式显著地减少了访问时间并且增加了数据速率。
在一个实施例中，尖端电极40和42是具有相对锐利尖的尖头电极。尖端电极40和42包括直径在大约15到50纳米范围内的小尖端接触区域。可以使用其它适当的尖端电极配置和形状。例如，尖端电极可以是平的或平面的。小尖端接触区域提供了增加的比特密度。另外，探头尖端40和42传导电流以便从存储介质32中的存储区域46读取并向其中写入。
在读取操作期间，尖端电极40由微动机50定位，以致于使得尖端电极40的尖或端与存储介质44的所选存储区域46接触。在一个实施例中，在尖端电极40和介质电极48之间施加在大约0.3-0.5V范围内的电压。在尖端电极40和介质电极48之间引起在大约60-80pA范围内的电流流过所选存储区域46。信号电流的幅度取决于所选存储区域46的结构状态(例如，非晶或多晶)。读取电路检测流过所选存储区域46的电流并且确定所选存储区域46的电阻。所述电阻表示在所选存储区域46中所存储的结构状态和相应的逻辑电平。
在写入操作期间，微动机50定位尖端电极40使得尖端电极40与存储介质44的所选存储区域46相接触。要求比从所选存储区域46读取所需要的电压和电流更大的电压和电流来写入所选存储区域46。在一个实施例中，在尖端电极40和介质电极48之间施加在大约2.8-3.2V范围内具有适当脉冲形状的电压。所述电压引起在大约90-110pA范围内的电流60流过所选存储区域46。电流把所选存储区域46的结构状态从多晶状态修改为非晶状态或从非晶状态修改为多晶状态。写入电路检测流过所选存储区域46的电流直到所选存储区域46的结构状态改变，导致所选存储区域46的电阻改变。所述电阻表示在所选存储区域46中所存储的结构状态和逻辑电平。
图2是用于图示半导体存储器设备30一部分的示例性实施例的图。存储器设备30包括定位控制器102和读取/写入控制器104。微动机50包括用116指示的扫描装配件。扫描装配件116包括支持臂118、z轴扫描致动器120、x-y轴扫描致动器122、扫描头124和尖端电极40。存储介质44包括存储区域46。介质电极48被耦合到存储介质44。定位控制器102被耦合到存储介质44，在130表明，并且被耦合到扫描装配件116，在132表明。读取/写入控制器104被电耦合到扫描装配件116，在136表明，并且被电耦合到存储介质44，在138表明。
支持臂118支撑z轴致动器118、x-y轴致动器122、扫描头124和尖端电极40。支持臂118相对于存储介质44移动尖端电极40。z轴扫描致动器120沿着z轴移动尖端电极40，如箭头140所表明，基本上垂直于(即与之正交)存储介质44。z轴扫描致动器120可移动地把尖端电极与存储介质44相接触。x-y轴扫描致动器122在x轴方向以及在y轴方向上沿着存储介质水平地探头尖端电极40，如箭头142所表明。x-y轴扫描致动器122把尖端电极40与存储介质44中的存储区域46相对准。扫描头124支撑尖端电极40。在一个实施例中，尖端电极阵列由扫描头124支撑。
扫描装配件116是扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscopeSTM)扫描装配件，其中根据隧道电流信息来控制尖端电极40的位置。作为选择，扫描装配件116可以被提供为原子力显微镜(atomic forcemicroscope AFM)扫描装配件，其中根据在尖端电极40和存储介质44的表面之间所产生的力(例如，原子力，静电力或磁力)来控制尖端电极40的位置。z轴扫描致动器120和x-y轴扫描致动器122包括静电致动器、压电致动器或其它适当的致动器。
定位控制器102控制尖端电极40在存储介质44上的垂直和水平位置。在操作中，定位控制器102使用z轴扫描致动器120来降低尖端电极40以与存储介质44相接触或升高尖端电极40以不与存储介质44相接触。定位控制器102通过控制x-y扫描致动器122或通过使用微动机50相对于电极40移动存储介质来沿着存储介质44的表面水平地扫描接触的尖端电极40。
读取/写入控制器104控制从存储区域46读取和向其中的写入。读取/写入控制器104控制在尖端电极40和介质电极48之间的读取/写入电压信号(包括脉冲形状和幅度)，以引起流过存储区域46的电流以便从存储区域46读取或向其中写入。
利用探头尖端114来向所选存储区域46写入信息和从中读取信息。读取/写入控制器108控制在探头尖端114和电极36之间施加具有适当脉冲形状和幅度的电压信号。在各自的多个所选存储区域46上定位一个或多个探头尖端114之后，读取/写入控制器104把信息写入到所选存储区域46中。读取/写入控制器104通过跨过所选存储区域46施加在大约2.8-3.2V范围内相对较高改变状态的电压来写入信息，所述电压被选择来引起电流流过所选存储区域46。电流把所选存储区域46的结构状态从结晶改变为非晶或从非晶改变为结晶。在一个实施例中，在95到105pA范围内的编程或写入电流足以把结构状态从结晶改变为非晶。
作为选择，读取/写入控制器104读取在所选存储区域46中所存储的信息。读取/写入控制器104通过跨过所选存储区域46施加在大约0.3-0.5V范围内相对较低的检测电压来读取信息，所述电压被选择来引起电流流过所选存储区域46。读取/写入控制器104检测所述电流并且在不改变所选存储区域46的结构状态的情况下确定它们的电阻。
图3和4是分别用于图示扫描装配件116的示例性实施例的图。扫描装配件116包括尖端电极114阵列，每个尖端电极114包括平面致动器115。扫描装配件116支撑具有尖端电极114的尖端电极阵列，所述尖端电极114间隔对应于在存储器设备30的存储区域46之间间隔的大约10-104倍。
尖端电极由耐用的、弹性的且导电的半导体或掺杂半导体材料(例如，掺杂硅)构成。在另一实施例中，尖端电极由金属材料(例如，铂)、非金属材料(例如，碳)构成。在一个实施例中，探头尖端114是碳纳管(nanotube)。如这里所用，术语“纳管”被定义为具有1-200nm左右的窄尺寸(直径)和长尺寸(长度)的空心制品，其中长尺寸与窄尺寸的比率(即，长阔比)至少为五。通常，长阔比可以在5和2000之间。
碳纳管是由碳原子所形成的空心结构。在此实施例中，每个尖端电极114可以是多层纳管或单层纳管。多层纳管包括均具有不同直径的几个纳管。从而，最小直径的管被较大直径的管封装，较大直径的管又可以被另一更大直径的纳管封装。相比之下，单层纳管只包括一个纳管。多层纳管典型情况下被生成为单个多层纳管或生成为多层纳管束。然而，单层纳管典型情况下被生成为单层纳管的绳，绳的每一股是单层纳管。碳纳管探头尖端114借助常规的碳纳管制造工艺(例如，化学蒸汽淀积)或其它适当的制造工艺来生长。
在一个实施例中，尖端电极40和42由掺有磷或砷的硅构成以便使尖端电极为N型。在其它实施例中，尖端电极40和42被掺杂以使它们为P型。
平面致动器115被定位在每个尖端电极114的基部并且被配置为维持每个尖端电极40与存储介质44相接触。尖端电极40可以具有相同或不同的长度。在扫描期间，每个平面致动器115调节每个相关联尖端电极40的位置来适应各尖端电极长度以便保持在尖端电极40和存储介质44之间的接触。
图5是图示用于从存储器设备30读取或向其中写入的方法200的流程图。在202，读取/写入控制器104接收来自外部设备的读取或写入命令。在204，定位控制器102使用微动机44和/或扫描装配件116来移动与所选存储区域46相关联的尖端电极40或尖端电极40阵列，在所选存储区域46中将在一定位置写入数据或读取数据。在206，如果所述命令是读取命令，那么在208继续执行所述命令。如果所述命令是写入命令，那么在218继续执行所述命令。
在208对于读取命令来说，读取/写入控制器108跨过在尖端电极40和介质电极44之间的存储区域46施加具有适当脉冲形状、在大约0.3-0.5V范围内的电压信号。引起在大约60-80微微安培范围内的电流流过所选存储区域46。
所引起的电流幅度对应于存储区域的结构状态。例如，非晶状态具有比多晶状态更大的电阻。结果，对于处在非晶状态中的存储区域引起较低的电流。
在210，读取/写入控制器104检测流过所选存储区域38的电流。使用所检测的电流来确定贯穿所述存储区域的电阻。在212，读取/写入控制器104根据所述电阻来确定存储区域46的状态并且向外部设备提供用于表明所选存储区域46的状态的逻辑值。
在218对于写入命令来说，读取/写入控制器108跨过在尖端电极40和介质电极44之间的存储区域46提供具有适当脉冲形状、在大约2.8-3.2V范围内的电压。引起在大约90-110微微安培范围内的电流流过所选存储区域46。在220，读取/写入控制器104控制电压和电流直到贯穿存储区域46的电阻改变以表明从非晶到结晶或从结晶到非晶的结构状态改变。在222，读取/写入控制器104向外部设备通知写入操作完成。
图6-8是图示半导体存储器设备30的一个示例性实施例的特性的图表，其中存储介质44的相变材料是GST。图6是图示用于使用存储器设备30来写入存储介质44上不同位置的电压特性的图。分析了五个写入操作。沿着第一轴表明在尖端电极40和介质电极48之间所施加的电压200。在202沿着第二轴表明微微安培大小的写入电流。写入存储介质44上的存储区域46要求在100微微安培下非常小大约3伏的电压。在此实验中，在尖端电极40和介质电极48之间所施加的电压变化非常小，大约.5伏(在2.5伏和3伏之间)，以便获得要求的写入电流。对于每个示例性写入操作来说，以要求的100微微安培的写入电流把数据写入每个存储区域46。
图7是用于图示对于在半导体存储器设备30上的存储区域写入和读取的一个示例性实施例来说电压和电流特性的图。如第一扫描210所表明，把数据写入到存储介质44上的存储区域46。在尖端电极40和介质电极48之间施加3伏电压，引起100微微安培的写入电流流过存储区域46。第二扫描212图示了读取操作的操作特性。通过跨过尖端电极40和介质电极48施加小于.5伏的电压，引起大约80微微安培的读取电流流过存储区域46来从所述存储区域46读取数据。
图8是图示用于确定被写入到半导体存储器设备30上的存储区域的比特状态的检测的电阻范围的图。在读取操作期间，所检测的电阻1e+10欧姆表明逻辑“1”或高状态，在240所表示。所检测的大约1e+12范围的电阻产生逻辑“0”或低状态。应当注意，每个高和低状态的电阻范围在跨过尖端电极40和介质电极48施加在.2和.5伏之间的读取电压上是相对均匀的。此图进一步图示了在逻辑和逻辑1状态之间至少两个数量级的电阻幅度差异。
依照本发明的存储器设备30包括“重掺杂的”尖端，导致与相变介质之间具有较低接触电阻。这相对于常规的热RAM设备产生更低的读取或写入电流，在较少体积变化的情况下降低了存储器设备的功率需求并且增加了切换速度以便提高设备可靠性。本发明实现了只在100pA范围内的编程或写入电流。
权利要求
1.一种半导体存储器(30)设备，包括尖端电极(40，42，114)；介质电极(48)；具有存储区域(46)的存储介质(44)，所述存储区域(46)可通过使电流(60)流过在尖端电极和介质电极之间的存储区域而被配置为处于多个结构状态之一，以用于表示在所述存储区域所存储的信息。
2.如权利要求1所述的设备，包括控制器(104)，用于在所述尖端电极和介质电极之间施加电压来引起所述电流流过所述存储区域以便在所述存储区域读取或写入信息。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述尖端电极是掺杂质的尖端。
4.如权利要求1所述的半导体存储器设备，其中所述尖端电极掺杂有磷、砷和硼中的至少一个。
5.如权利要求1所述的半导体存储器设备，其中所述尖端电极包括纳管。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述尖端电极是借助半导体微组装技术所制造的尖端结构的一部分。
7.如权利要求4所述的半导体存储器设备，其中所述尖端电极包括硅。
8.如权利要求1所述的半导体存储器设备，其中用于在存储区域写入信息的电流低达100微微安培，并且其中用于在所述存储区域读取信息的电流大约为80微微安培。
9.如权利要求1所述的半导体存储器设备，其中所述尖端电极可沿着所述存储介质的表面(62)相对于所述存储介质移动，其中所述尖端电极被配置为垂直于所述存储介质的表面移动，其中所述尖端被配置为基本上平行于所述存储介质的表面移动，并且包括用于彼此相对移动存储介质和尖端电极的微动机(50)。
10.如权利要求16所述的半导体存储器设备，其中所述多个结构状态包括多晶状态和非晶状态，其中所述存储介质由相变材料构成，其中所述尖端电极可沿着所述存储介质的表面相对于存储介质移动，其中所述多晶状态的电阻大约比非晶状态的电阻小两个数量级，其中所述尖端电极包括与存储介质之间的尖端接触区域，所述尖端接触区域具有小到5纳米的直径，其中所述相变材料包括基于硫化物的相变材料或其中所述相变材料包括含有元素Te、Se、Sb、Ni、Ge、In和Ag之一或这些元素组合的合金。
全文摘要
一种半导体存储器设备(30)，包括尖端电极(40，42，114)、介质电极(48)和存储介质(44)。该存储介质具有存储区域(46)，所述存储区域(46)可通过使电流(60)流过在尖端电极和介质电极之间的存储区域而被配置为处于多个结构状态之一，以用于表示在所述存储区域所存储的信息。
文档编号G11B9/04GK101023477SQ200580027855
公开日2007年8月22日 申请日期2005年6月17日 优先权日2004年6月17日
发明者Z·陈, M·D·约翰逊, L·T·特兰 申请人:惠普开发有限公司