专利名称：具有改进的切换的pcmo非易失阻性存储器的制作方法
具有改进的切换的PCMO非易失阻性存储器背景普及性的计算和手持/通信产业的快速发展已引起对大容量非易失固态数据存储设备的爆炸性需求。类似闪存之类的利用电子从中隧穿的浮栅的当前技术具有若干缺点，例如低存取速度、有限的寿命和集成难度。闪存(NAND或NOR)还面临极大的比例缩放问题。阻性感测存储器通过将数据位存储为高阻状态或低阻状态，是用于未来的非易失和通用存储器的有前途的候选项。一种这样的存储器(阻性RAM(RRAM))具有可变电阻层， 该可变电阻层能通过电流或电压的施加而在高阻态和低阻态之间切换(例如不存在或存在导电细丝或界面效应变化)。然而，在阻性感测存储器进入生产阶段前，必须克服许多产量极限因素，包括更好的切换电流特性。
发明内容
本公开涉及非易失阻性感测存储器，该非易失阻性感测存储器包括钙掺杂的亚锰酸镨或下文中表示为PCMO的镨钙锰氧化物的双层。尤其，本公开涉及阻性存储器单元，该阻性存储器单元包括结晶PCMO层和沉积在结晶PCMO层上的无定形PCMO层，这两个层构成阻性感测存储器叠层。在一些实施例中，阻性感测存储器叠层包括氧扩散阻挡层，该氧扩散阻挡层将结晶PCMO层与无定形PCMO层间隔开。在一个示例性实施例中，阻性感测存储器单元包括结晶PCMO层和沉积在结晶 PCMO层上的无定形PCMO层，这两个层构成阻性感测存储器叠层。第一和第二电极由阻性感测存储器叠层间隔开。阻性感测存储器单元可进一步包括将结晶PCMO层与无定形PCMO层间隔开的氧扩散阻挡层。通过阅读以下详细描述，这些以及各个其他特征和优点将是显而易见的。附图简述考虑以下结合附图对本公开的各个实施例的详细描述，可更完整地理解本公开， 在附图中
图1是示例性非易失阻性感测存储器单元的示意性侧视图；图2是另一示例性非易失阻性感测存储器单元的示意性侧视图；图3是包括半导体晶体管的示例性的非易失阻性感测存储器单元的示意图。图4是示例性的非易失阻性感测存储器阵列的示意图；图5是形成非易失阻性感测存储器单元的示例性方法的流程图；图6A-6C是在各个制造阶段下的非易失阻性感测存储器单元的示意性横截面图。图7是形成非易失阻性感测存储器单元的示例性方法的流程图；以及图8A-8D是在各个制造阶段下的另一非易失阻性感测存储器单元的示意性横截面图。这些附图不一定按比例示出。附图中所使用的相同数字表示相同组件。然而，应当理解，在给定附图中使用数字表示组件并不旨在限制在另一附图中用相同数字标记的组件。
具体实施例方式在以下描述中，参考形成本说明书一部分的一组附图，其中通过解说示出了若干具体实施例。应当理解，可构想并可作出其他实施例而不背离本公开的范围或精神。因此， 以下详细描述不具有限制性含义。除非另外指示，否则在说明书和权利要求书中使用的表示特征大小、数量和物理性质的所有数字应当被理解为在任何情况下均由术语“大约”来修饰。因此，除非相反地指出，否则在上述说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是近似值，这些近似值可利用本文中所公开的教示由本领域技术人员所寻求获得的期望性质而变化。如本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”涵盖具有复数引用对象的实施例，除非该内容另外明确地指出。如本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“或”一般以包括“和/或”的含义来使用，除非该内容另外明确地指出。空间相关的术语，包括但不限于“较低”、“较高”、“在下面”、“之下” “之上”和“在顶端”，如果在本文中使用，则用于便于说明以描述一个元件与另一元件的空间关系。这些空间相关的术语涵盖在使用或操作中的设备的除附图中所示的和本文中所描述的特定方向之外的不同方向。例如，如果在图中所描述的单元被调转或翻转，先前描述的在其他元件之方或下面的部分而后将会在此类其他元件的上方。如本文中所使用的，例如当元件、组件或层被描述为“在其上”、“连接至”、“耦合” 或“接触”另一元件、部件或层时，其可直接在其上、直接连接到、直接耦合、直接接触，或者居间元件、部件或层可在其上、连接、耦合或接触特定元件、组件或层。例如当元件、组件或层被称为开始“直接在其上”、“直接连接到”、“直接耦合”、或“直接接触”另一元件时，则不存在居间元件、组件或层。本公开涉及非易失阻性感测存储器，该非易失阻性感测存储器包括钙掺杂的亚锰酸镨或镨钙锰氧化物或PCMO (例如^vxCaxMnO3)的双层。尤其，本公开涉及阻性存储器单元，该阻性存储器单元包括结晶PCMO层和沉积在结晶PCMO层上的无定形PCMO层，这两个层构成阻性感测存储器叠层。在一些实施例中，阻性感测存储器叠层包括氧扩散阻挡层，该氧扩散阻挡层将结晶PCMO层与无定形PCMO层间隔开。这些器件已被图示为在较低电压 (以伏特为量级或1伏特)或电流下切换，并提供比其它单层PCMO器件更对称的切换特性。 另外，已经示出了对氧扩散阻挡层的引入，以改善存储器单元的数据状态保持性。尽管本公开不限于此，但通过讨论以下所提供的示例将获得对本公开的各个方面的理解。图1是非易失阻性感测存储器单元10的示意性侧视图。该阻性感测存储器单元 10包括结晶PCMO层16、设置在结晶PCMO层16上的无定形PCMO层15，这两个层构成阻性感测存储器叠层18。第一电极12和第二电极14由阻性感测存储器叠层18间隔开。术语PCMO表示I3IvxCaxMnO3 (其中X在一些实施例中处于0. 2-0. 6的范围内)。沉积在贵金属或氧化物电极之间的这种材料是一种用于阻性感测存储器材料的有前途的候选物。相对于细丝成形RRAM，这种材料提供界面效应RRAM。界面效应RRAM材料是复合金属氧化物，该复合金属氧化物包含两种或更多种材料并且相对于细丝成形RRAM而言不需要这些材料的原始成形。沿一个方向使电流通过该材料而使该材料处于高阻态。沿相反方向使电流通过该材料而使该材料处于低阻态。然而，这种材料表现出具有许多缺陷。这种材料需要3伏-5伏范围内的相对高的切换电压，其次，这种材料在当沿一个方向的切换电压比相反方向的切换电压高上50%时会表现出拥有非对称的切换性。另外，该材料显然表现出低的数据状态持久性。本文描述的阻性感测存储器单元结构显然能克服这些缺陷。当在高于400°C的温度下沉积这种PCMO材料时，该PCMO材料形成晶体结构。晶体结构提高了 PCMO材料的导电性。当在低于400°C或低于375°C或低于350°C的温度下沉积PCMO材料时，PCMO材料是无定形的。无定形PCMO材料是比结晶PCMO材料更好的电绝缘体。结晶PCMO材料充当氧化物导体，该氧化物导体额外地充当无定形PCMO材料的氧供给源。无定形PCMO材料形成隧穿阻挡层，其中隧穿阻挡层的高度和厚度受无定形PCMO材料的氧浓度的控制。在许多实施例中，无定形PCMO具有范围从1纳米至10纳米或从1纳米至7纳米或从1纳米至5纳米的厚度，而结晶PCMO材料具有范围从10纳米至100纳米或从10纳米至75纳米或从20纳米至50纳米的厚度。诸PCMO层之间的氧离子迁移允许存储器单元在高阻数据状态和低阻数据状态之间切换。电极12、14可由任何有用的惰性和导电材料来形成。在许多实施例中，电极12、 14由诸如钨(W)、镍(Ni)、钼(Mo)、钼(Pt)、金(Au)、钯(Pd)和铑(Rh)的贵金属或惰性金属而形成。第一电极12可以，但不一定形成在衬底上。如果采用衬底，则衬底可包括硅、硅和锗的混合物以及其它类似材料，图1和图2未示出可选的衬底。图2是另一示例性的非易失阻性感测存储器单元10的示意性侧视图。该阻性感测存储器单元或非易失存储器单元10包括结晶层PCMO 16、无定形PCMO层15以及将结晶 PCMO层16与无定形PCMO层15间隔开的氧扩散阻挡层17，这三个层构成阻性感测存储器叠层18。第一电极12和第二电极14由阻性感测存储器叠层18间隔开。氧扩散阻挡层17提高了存储器单元的热稳定性。氧扩散阻挡层17可由在存在电偏置时允许氧离子移动从中通过但在不存在电偏置时抑制氧或氧离子从中通过的任何有用材料来形成。有用的氧扩散阻挡层17材料的示例包括金属或导电氧化物。金属性氧扩散阻挡层材料包括例如钼。导电性氧化物氧扩散阻挡层材料包括例如IrO、RuO, SrRuO3^ 镧钙锰氧化物(即LCM0)以及类似物。氧扩散阻挡层17可以具有任何有益的厚度。在许多实施例中，氧扩散阻挡层17具有范围从1至10纳米或从2至10纳米的厚度。当沿第一方向跨阻性感测存储器叠层18施加电势时，氧离子从结晶PCMO层16通过氧扩散阻挡层17被驱至无定形PCMO层15。该过程是场驱动的。通过氧扩散阻挡层17 的扩散是结晶PCMO层16和无定形PCMO层15的相邻表面之间的氧离子的浓度梯度所驱使的。当撤去电压时，此时无定形PCMO层15中的氧不被驱使通过氧扩散阻挡层17并且没有氧梯度存在。这减少了通过氧扩散阻挡层17的氧扩散，并提高了非易失阻性感测存储器单元10的存储器保持性。图3是包含半导体晶体管22的示例性非易失阻性感测存储器单元20的示意图。 存储器单元或单位20包括阻性感测存储器单元10，如本文所述，其经由导电元件对电耦合于半导体晶体管22。晶体管22包括半导体衬底21，该半导体衬底21具有诸个掺杂区(例如图示为η掺杂区)以及在诸个掺杂区之间的沟道区(例如图示为ρ掺杂的沟道区)。晶
6体管22包括栅极沈，该栅极沈电耦合于字线WL以允许选择并使电流从位线BL流至存储器单元10。阻性感测存储器单元20的阵列可利用半导体制造技术被形成在半导体衬底上。图4是示例性非易失阻性感测阵列30的示意图。存储器阵列30包括形成交叉点阵列的多个字线WL和多个位线BL。在每个交叉点，如本文所描述的阻性感测存储器单元 10电耦合于字线WL和位线BL。选择器件(未示出)可位于各交叉点或位于各字线WL和位线BL处。图5是形成非易失阻性感测存储器单元的示例性方法的流程图。图6A-6C是在各个制造阶段下非易失阻性感测存储器单元的示意性横截面图。见图6A，在图5的方框110将结晶PCMO层16沉积在第一电极12上。结晶PCMO 层16在足以在PCMO层16中形成晶体结构的温度下被沉积。在许多实施例中，沉积温度高于400°C。结晶PCMO层16和第一电极12均可通过物理汽相沉积、化学汽相沉积、电化学沉积、分子束外延生长和原子层沉积来形成。尽管未示出，但第一电极12可被沉积在衬底上。 衬底包括但不仅限于，硅、硅和锗的混合物以及其他类似材料。见图6B，在图5的方框120将无定形PCMO层15沉积在结晶PCMO层16上。无定形PCMO层15在足以形成无定形或非结晶PCMO层15的温度下被沉积。在许多实施例中， 沉积温度低于400°C或低于375°C或低于350°C。见图6C，在图5的方框130将第二电极14沉积在无定形PCMO层15上。第二电极 14可使用前述的沉积方法来形成。可将额外的金属接触层形成在第二电极14上。图7是形成非易失阻性感测存储器单元的另一示例性方法的流程图。图8A-8D是在各个制造阶段下的另一非易失阻性感测存储器单元的示意性横截面图。见图8A，在图7的方框210将结晶PCMO层16沉积在第一电极12上。如前所述， 结晶PCMO层16在足以在PCMO层16中形成晶体结构的温度下被沉积。尽管未示出，但可将第一电极12沉积在衬底上。衬底包括但不仅限于，硅、硅和锗的混合物以及其他类似材料。见图8B，在图7的方框220将氧扩散阻挡层17沉积在结晶PCMO层16上。氧扩散阻挡层17可使用前面描述的沉积方法来形成。见图8C，在图7的方框230将无定形PCMO层15沉积在氧扩散阻挡层17上。如前所述，无定形PCMO层15在足以形成无定形或非结晶PCMO层15的温度下沉积。见图8D，在图7的方框240将第二电极14沉积在无定形PCMO层15上。第二电极 14可使用前述的沉积方法来形成。可将额外的金属接触层形成在第二电极14上。由此，披露了具有改进切换的非易失阻性感测存储器的实施例。上述实现及其他实现在以下权利要求书的范围内。本领域技术人员应当理解，本公开可用除所披露的实施例以外的实施例来实施。出于说明而非限制目的给出了所公开的实施例，且本发明仅受限于所附的权利要求书。
权利要求
1.一种阻性感测存储器单元，包括结晶的镨钙锰氧化物的层；沉积在所述结晶的镨钙锰氧化物的层上的无定形镨钙锰氧化物的层，这两个层构成阻性感测存储器叠层；以及第一和第二电极，由所述阻性感测存储器叠层所间隔开。
2.如权利要求1所述的阻性感测存储器单元，其特征在于，所述结晶的镨钙锰氧化物的层具有范围从10纳米至75纳米的厚度，而所述无定形镨钙锰氧化物的层具有范围从1 纳米至7纳米的厚度。
3.如权利要求1所述的阻性感测存储器单元，其特征在于，所述第一和第二电极由贵金属所形成。
4.如权利要求1所述的阻性感测存储器单元，其特征在于，还包括氧扩散阻挡层，所述氧扩散阻挡层将所述结晶的镨钙锰氧化物的层与所述无定形镨钙锰氧化物的层间隔开。
5.如权利要求4所述的阻性感测存储器单元，其特征在于，所述氧扩散阻挡层是金属性氧扩散阻挡层。
6.如权利要求5所述的阻性感测存储器单元，其特征在于，所述氧扩散阻挡层具有范围从1纳米至10纳米的厚度。
7.如权利要求5所述的阻性感测存储器单元，其特征在于，所述氧扩散阻挡层是钼层。
8.如权利要求1所述的阻性感测存储器单元，其特征在于，所述镨钙锰氧化物包括 I3IVxCaxMnO3，其中 X 在 0. 2-0. 6 的范围内。
9.如权利要求4所述的阻性感测存储器单元，其特征在于，所述氧扩散阻挡层是导电性氧化物的氧扩散阻挡层。
10.一种非易失存储器单元，包括结晶的镨钙锰氧化物的层；无定形镨钙锰氧化物的层；将所述结晶的镨钙锰氧化物的层与所述无定形镨钙锰氧化物的层间隔开的氧扩散阻挡层，这三个层形成阻性感测存储器叠层，其中所述氧扩散阻挡层在具有电偏置时允许氧离子从中通过，但在没有电偏置时抑制氧或氧离子从中通过；以及第一和第二电极，由所述阻性感测存储器叠层所间隔开。
11.如权利要求10所述的非易失存储器单元，其特征在于，所述结晶的镨钙锰氧化物的层具有范围从10纳米至75纳米的厚度，而所述无定形镨钙锰氧化物的层具有范围从1 纳米至7纳米的厚度。
12.如权利要求11所述的非易失存储器单元，其特征在于，所述氧扩散阻挡层具有范围从1纳米至10纳米的厚度。
13.如权利要求10所述的非易失存储器单元，其特征在于，所述第一和第二电极由钨、 镍、钼、钼、金、钯、铑以及其合金、混合物或组合物所形成。
14.如权利要求10所述的非易失存储器单元，其特征在于，所述氧扩散阻挡层是包含钼的金属性氧扩散阻挡层。
15.如权利要求10所述的非易失存储器单元，其特征在于，所述镨钙锰氧化物包括 I3IVxCaxMnO3，其中 X 在 0. 2-0. 6 的范围内。
16.如权利要求10所述的非易失存储器单元，其特征在于，所述氧扩散阻挡层是导电性氧化物的氧扩散阻挡层，包括IrO、RuO, SrRuO3、镧钙锰氧化物或其组合。
17.一种方法，包括在第一电极上沉积结晶的镨钙锰氧化物的层；在所述结晶的镨钙锰氧化物的层上沉积无定形镨钙锰氧化物的层；以及在所述无定形镨钙锰氧化物的层上沉积第二电极，由此形成阻性感测存储器单元。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述结晶的镨钙锰氧化物在至少400°C的温度下被沉积。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述无定形镨钙锰氧化物在低于400°C的温度下被沉积。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在所述结晶的镨钙锰氧化物的层与所述无定形镨钙锰氧化物的层之间沉积氧扩散阻挡层。
全文摘要
一种阻性感测存储器单元，包括结晶的镨钙锰氧化物的层以及沉积在结晶的镨钙锰氧化物的层上的无定形镨钙锰氧化物的层，这两个层构成阻性感测存储器叠层。第一和第二电极由阻性感测存储器叠层所间隔开。该阻性感测存储器单元还包括氧扩散阻挡层，该氧扩散阻挡层将结晶的镨钙锰氧化物的层与无定形镨钙锰氧化物的层间隔开。方法包括在结晶的镨钙锰氧化物的层上沉积无定形镨钙锰氧化物的层，由此构成阻性感测存储器叠层。
文档编号H01L27/10GK102473454SQ201080032370
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月9日 优先权日2009年7月13日
发明者A·扬邱尔, A·罗乐弗斯, B·穆拉里克瑞什南, H·欧乐, M·希格特, T·伟, V·文努戈帕兰 申请人:希捷科技有限公司