存储具有负微分电阻材料的存储器的制造方法
【专利摘要】一种存储器单元包括：晶体管，具有第一源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子利用半导体材料与第二源极/漏极端子分隔开；栅极端子，被放置在所述半导体材料附近使得栅极端子电压的增加会增加所述半导体材料的导电率；并且所述第一源极/漏极端子串联连接到负微分电阻材料。
【专利说明】存储具有负微分电阻材料的存储器
【背景技术】
[0001]许多计算机产品使用静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器(DRAM)。这些类型的存储器中的每个具有不同的优点。例如，SRAM与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容并且可被合并到处理器模中。而且，DRAM具有占用小封装(footprint)的电路，并且DRAM通常用于存储器的存储。
【专利附图】
【附图说明】
[0002]附图图示出在此所述原理的多个示例并且是说明书的一部分。所图示的示例仅是示例并且不限制权利要求的范围。
[0003]图1是根据在此所述原理的说明性晶体管的图。
[0004]图2是根据在此所述原理的说明性晶体管的图。
[0005]图3是根据在此所述原理的示意性表示负载线的说明性曲线图的图。
[0006]图4是根据在此所述原理的说明性信号分布的图。
[0007]图5是根据在此所述原理的说明性信号分布的图。
[0008]图6是根据在此所述原理的说明性信号分布的图。
[0009]图7是根据在此所述原理的说明性信号分布的图。
[0010]图8是根据在此所述原理的存储器装置的说明性电路的图。
[0011]图9是根据在此所述原理的用于存储存储器的说明性方法的图。
[0012]图10是根据在此所述原理的用于操作存储器装置的过程的说明性流程图的图。
【具体实施方式】
[0013]DRAM和SRAM都具有缺点。例如，DRAM不与CMOS兼容，结果，DRAM在商业上不用于以CMOS技术构建的处理器或其它芯片中。此外，SRAM具有比DRAM的封装可能大5至10倍的封装。
[0014]在此所述的原理包括存储器单元，该存储器单元具有串联连接到晶体管的源极/漏极端子的负微分电阻(NDR)材料。NDR材料可以是呈现以下特性的材料，即对于特定电流范围，该材料随着电流的增加而经历电压降。这种存储器单元是CMOS兼容的并具有小封装。因此，根据在此所述原理构建的存储器单元可以产生具有DRAM和SRAM两者的优点的存储器单元。存储具有NDR材料的存储器可以包括:在双稳态存储器单元的第一稳定区域中保持电压在第一值，在该第一稳定区域中存储器单元具有串联连接到晶体管的第一源极/漏极端子的NDR材料；并将电压改变到第二值以切换双稳态存储器单元的电阻状态。
[0015]在下面的描述中，为了解释的目的，陈述了许多具体的细节以便提供对本系统和方法的详尽理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本设备、系统和方法可以不具有这些具体细节而实施。说明书中对“示例”的引用或类似语言意味着所描述的特定特征、结构或特性至少包括在该一个示例中，但不必包括在其它示例中。
[0016]图1是根据在此所述原理的说明性晶体管(100)的图。在本示例中，晶体管(100)具有与第二源极/漏极端子(104)分隔开的第一源极/漏极端子(102)。第一和第二源极/漏极端子(102，104)可以由η型半导体材料制成。P型半导体材料(106)可以分离第一和第二源极/漏极端子(102，104)。而且，栅极端子(110)可以被放置在P型半导体材料(106)附近。在所示示例中，P型半导体材料(106)利用栅极绝缘体(108)与栅极端子
(110)分离。在一些示例中，栅极绝缘体由金属氧化物材料制成。此外，第一源极/漏极端子(102)连接到第一垂直连接器(112)，并且第二源极/漏极端子(104)连接到第二垂直连接器(114)。第一和第二垂直连接器(112，114)可以是形成在垂直互连存取通道中的接触件，该通道形成在其它层中。在本示例中，NDR材料(116)集成到第一垂直连接器(112)中。另一导电材料(118)沉积到NDR材料(116)上以帮助建立与晶体管的电连接。
[0017]在一些示例中，P型半导体材料(106)由掺杂了与P型半导体材料(106)中的弱结合电子结合的材料的硅制成。在一些示例中，硼、铝、铟、镓、别的掺杂物、或其组合掺杂到硅中。这种掺杂的总效果导致P型半导体材料(106)具有能够接受电子的正电荷。
[0018]第一和第二源极/漏极端子(102，104)的η型半导体材料可以是掺杂了提供端子中电子剩余的材料的硅。在一些示例中，掺杂到端子中的材料是砷、磷、铋、锑、别的掺杂物、或其组合。
[0019]在一些示例中，响应于施加到栅极端子的正电压，产生将电子吸引到P型半导体材料(106)中使得P型半导体材料(106)导电的场效应。在一些不例中，电子从存储电子剩余的η型半导体材料中被拉出。在一些示例中，晶体管呈现如下关系:施加到栅极端子的较大的正电压将吸引较大量的电子进入P型半导体材料(106)中。
[0020]P型半导体材料(106)和由η型半导体材料制成的端子的这种布置可以根据CMOS技术被构造。在一些示例中，第一源极/漏极端子电连接到电压源以将电压提供给晶体管。然而，在施加到栅极端子(110)的电压不存在时，电流将不流过P型半导体材料(106)，这是因为P型半导体材料(106)在没有场效应时作为绝缘体运行，该场效应在电压施加到栅极端子时提供。
[0021]NDR材料(116)可以是双稳态材料，其具有呈现低电阻特性的第一稳态和呈现高电阻特性的第二稳态。例如，当NDR材料(116)呈现高电阻状态时，NDR材料(116)充当绝缘体，其防止大部分电流从导电材料(118)通到与第一源极/漏极端子(102)接触的第一垂直连接器(112)。当电压施加到栅极端子(110)并且NDR材料(116)呈现高电阻特性时，少量的电流可以通过晶体管(100)。在这种示例中，NDR材料(116)限制可以通过晶体管
(100)的电流量。
[0022]另一方面，当NDR材料(116)呈现低电阻特性并且正电压施加到栅极端子(110)时，显著地较大量的电流可以通过晶体管(100)。在这种示例中，P型半导体材料(106)可以在电路中呈现最高电阻，结果，P型半导体材料(106)可以限制通过晶体管(100)的电流量。在一些示例中，当NDR材料(116)呈现低电阻特性时，NDR材料(116)允许大量的电流通过导电材料(118)至第一垂直连接器(112)。从而，施加到栅极端子(110)的电压的量可以用于控制允许通过晶体管(100)的电流量。例如，当没有电压施加到栅极端子(110)时，无论NDR材料(116)呈现高或低电阻特性，都没有电流将通过晶体管。然而，当小电压施加到栅极端子(110)并且NDR材料(116)呈现低电阻特性时，因为施加到栅极端子的低电压，因此仅仅少量电流可以通过晶体管。因此，随着施加到栅极端子(110)的电压增加，同时NDR材料(116)呈现低电阻特性，更多的电流被允许通过晶体管(100)。
[0023]第二源极/漏极端子(104)可以连接到能够测量通过晶体管(100)的电流量的电流传感器。例如，当没有电压施加到栅极端子(110)时，电流传感器可以测量出没有电流。进一步，当电压施加到栅极端子(110)且NDR材料(116)呈现高电阻特性时，电流传感器可以测量出少量电流。而且，当电压施加到栅极端子(110)且NDR材料呈现低电阻特性时，电流传感器可以测量出显著地较大量的电流。
[0024]这种具有串联连接到源极/漏极端子的NDR材料的晶体管可以用作存储器单元。为了写入存储器单元，NDR材料(116)的电阻状态可以被改变。为了读取存储在存储器单元中的信息，电压可以暂时施加到栅极端子(110)并且电流可以利用电流传感器进行测量。如果电流传感器测量出少量的电流，例如当NDR材料呈现高电阻时，存储器单元可以存储(storing) 二进制信息中的“O”。另一方面，如果电流传感器测量出显著地较大量的电流，例如当NDR材料(116)呈现低电阻特性时，存储器单元可以存储二进制信息中的“I”。
[0025]在一些示例中，NDR材料是从由铌、钛、钨、锰、铁、钒、其氧化物、其氮化物、其掺杂合金、和其组合构成的组中选出的金属。在一些示例中，NDR材料包括铬掺杂的钒氧化物。在一些示例中，NDR材料是金属至绝缘体转变(MIT)材料。MIT材料可以具有两个独立的稳定电阻状态或相位，其相应于MIT材料的内部温度是高于或是低于转变温度。一个电阻相位是金属或导电相位，其中MIT材料呈现类似于金属的低电阻，从而具有高导电性。另一电阻相位是绝缘体相位，其中MIT材料呈现类似于绝缘体的电阻。
[0026]图2是根据在此所述原理的说明性晶体管(200)的图。这里，晶体管(200)和NDR材料(202)被示意性表示。在一些示例中，第一源极/漏极端子(204)电连接到NDR材料(202)，NDR材料(202)可以依次电连接到写入线(206)。而且，第二源极/漏极端子(208)可以电连接到用于选择存储器阵列中晶体管的位线(209)。同样，栅极端子(210)可以电连接到读取使能线(212)。
[0027]NDR材料可以垂直布置在基底上方，由此允许存储器单元在基底上的小的总封装。因此，在此所述的原理可以用于其中电路空间被限制的应用，例如在处理器模上。
[0028]图3是根据在此所述原理的示意性表示存储器单元负载线的说明性曲线图(300)的图。在本示例中，y轴(302)示意性表示任意单位的电流,并且X轴(304)示意性表示任意单位的电压。图例(306)指示每条线示意性表示的内容。
[0029]例如，线(308)表示NDR材料的电流-电压关系。在本示例中，NDR材料是电流控制的NDR材料。线(308)示意性表示NDR材料具有稳定的高电阻区域(310)、不稳定的负区域(312)和稳定的低电阻区域(314)。
[0030]在图3的示例中，在高电阻区域(310)中，NDR材料呈现高电阻特性，其中电压的增量增加伴随着电流的不成比例地少量增加。然而，在低电阻区域(314)中，NDR材料呈现低电阻特性，其中电压的增量增加伴随着电流的不成比例地大幅增力口。在负电阻区域(312)中，NDR材料呈现其中电压下降时电流增加的特性。在此区域(312)中，NDR材料是不稳定的。结果，NDR材料将很可能呈现与高电阻区域(310)或低电阻区域(314)相关的特性。
[0031]在一些示例中，为了将NDR材料保持在其现有状态下，电压保持在该状态相关的稳定区域内。例如，为了将在曲线图(300)中示意性表示的NDR材料保持在高电阻状态，电压可以保持在零和约1.1任意单位电压之间，以保持在高电阻区域(310)中。另一方面，为了将在曲线图(300)中示意性表示的NDR材料保持在低电阻状态，电压可以保持在0.5任意单位电压以上，以保持在低电阻区域(310)中。
[0032]为了将NDR材料切换到不同的电阻状态，电压可以在低和高电阻区域(310，314)之间的交叠之外移动。例如，为了将NDR材料从高电阻状态切换到低电阻状态，电压可以在1.1任意单位以上移动。在这种情况下，因为电压值在高电阻区域(310)之外，因此NDR材料，例如曲线图(300)中绘出的NDR材料，将切换到低电阻状态。类似地，为了将NDR材料切换到高电阻状态，电压可以下降到0.5任意单位电压以下。在这种情况下，因为电压值在低电阻区域(310)之外，因此NDR材料，例如曲线图(300)中绘出的NDR材料，将切换到高电阻状态。
[0033]在NDR材料的高电阻和低电阻状态之间的切换可以在晶体管之外实现。然而，晶体管可以限制允许通过NDR材料的电流量。例如，线(316)可以示意性表示将“I”写入具有晶体管和NDR材料的存储器单元的负载。在图3的示例中，线(316)的电流最大化在15任意单位电流处，其描绘了晶体管的P型半导体材料正在限制电流流动。
[0034]根据图3的示例，线(318)示意性表示了可以用于将“O”写入存储器单元的值。进一步，线(320)可以示意性表示负载值，该负载值可以用于将NDR材料保持在高电阻或低电阻状态。保持电压值可以是将NDR材料保持在低电阻状态或高电阻状态的相同的电压值。这种保持电压值可以在高电阻区域电压范围(322)和低电阻区域电压范围(324)之间的交叠(321)内。当保持值可以位于这些范围(322，324)的交叠(321)内时，只要电压不移动超过与现有电阻状态相关的电压范围，则NDR材料将在其现有区域内保持稳定。在一些示例中，即使保持值与多于一个的电阻状态兼容，只要电压保持在所展示的电压范围(322，324)内，则滞后现象防止NDR材料切换电阻状态。
[0035]图3的线(326)示意性表示可以用于施加电压到栅极端子以使电流能够通过晶体管以便电流传感器可以测量电流的负载。基于利用电流传感器测量的电流值，存储器单元可以将二进制信息的“ I”或“O”报告至读取存储器单元的源。
[0036]图4是根据在此所述原理的说明性信号分布(400)的图。在本示例中，信号分布(400)示意性表示将NDR材料保持在其现有电阻状态内。在本示例中，写入线(402)可以连接到晶体管的源极/漏极端子，位线(404)可以连接到晶体管的另一源极/漏极端子，以及读取使能线(406)可以连接到栅极端子。电压可以施加到这些线(402，404，406)中的每一条线。在图4的示例中，所施加的每个电压保持在恒定电平。
[0037]图5是根据在此所述原理的说明性信号分布(500)的图。在本示例中，信号分布(500)示意性表示将NDR材料设置到低电阻状态。在本示例中，施加到写入线(502)的电压暂时增加，而施加到位线(504)的电压暂时降低。这种布置使得总电压差暂时较大，结果，NDR材料被切换到低电阻状态。在切换电阻状态后，写入线(502)和位线(504)的电压可以恢复到图4中示意性描绘的保持电平，以将NDR材料保持在低电阻状态。读取使能线(506)维持施加到栅极端子的电压的保持量。
[0038]图6是根据在此所述原理的说明性信号分布￠00)的图。在本示例中，信号分布(600)示意性表示将NDR材料重新设置到高电阻状态。在本示例中，施加到写入线(602)的电压暂时降低，而施加到位线￠04)的电压暂时增加。这种布置使得总电压差较低，结果，NDR材料被切换到高电阻状态。在切换电阻状态后，写入线(602)和位线(604)的电压可以恢复到图4中示意性描绘的保持电平，以将NDR材料保持在高电阻状态。读取使能线(606)保持施加到栅极端子的电压的保持量。
[0039]图7是根据在此所述原理的说明性信号分布(700)的图。在本示例中，信号分布(700)示意性表示读取NDR材料的电阻状态。在本示例中，位线(702)电连接到电流传感器。写入线(704)保持其电压，而读取使能线(706)具有暂时的电压增加。这种施加到读取使能线(706)的电压的暂时增加可以允许足够的电流通过晶体管，以使得电流传感器能够确定NDR材料的电阻状态，其中读取使能线(706)连接到晶体管的栅极端子。
[0040]图8是根据在此所述原理的存储器装置(802)的说明性电路(800)的图。在本示例中，电路(800)被合并到处理器模(804)中。在图8中，电路包括以行和列的阵列布置的多个存储器单元(806)。每个存储器单元可以包括串联连接到NDR材料(810)的晶体管(808)。每个存储器单元可以存储单个的位信息，如二进制信息的“I”或“O”。在一些示例中，多个存储器单元(806)被合并到具有多个处理器模块的集成电路中。
[0041]每隔一行(812)可以是电连接到每个存储器单元(806)的NDR材料(810)的写入线。每个NDR材料(810)可以连接到晶体管(808)的源极/漏极端子(814)。其余行(816)可以是电连接到每个存储器单元(806)的另一源极/漏极端子(818)的读取使能线。写入线和读取使能线可以与电压源电通信以便向每行施加电压。
[0042]此外，每列可以是用于选择所需存储器单元的位线。每条位线还连接到电压源。当需要将存储器写入特定存储器单元时，各条写入线可以暂时施加正电压并且各条位线可以暂时施加负电压，使得总体电压的改变引起NDR材料(810)切换电阻状态。为了将NDR材料(810)保持在现有的电阻状态，写入线和位线都可以复原以施加预定的保持电压值。
[0043]为了读取存储器单元(806)中的位信息，读取使能线可以暂时施加增加量的电压，该电压将对栅极端子通电并允许电流通过晶体管(808)。尽管存储器电连接到位线，但是电流释放可以利用被放置为远离存储器的电流传感器(820)来读取。开关逻辑可以暂时地将位线电连接至电流传感器(820)。在一些示例中，相同的开关逻辑将位线连接至电压源。
[0044]存储器装置可以是使用存储器的任意装置。例如，存储器装置的非详尽列表可以包括有形的存储器存储、计算机、电气路牌、膝上型电脑、手表、电话、服务器、路由器、处理器、其他存储器装置、或其组合。
[0045]图9是根据在此所述原理的用于存储存储器的说明性方法(900)的图。在本示例中，方法(900)包括在双稳态存储器单元的稳定区域中将电压保持(902)在第一值，在该稳定区域中存储器单元具有串联连接到晶体管的第一源极/漏极端子的NDR材料，以及将电压改变(904)到第二值以切换双稳态存储器单元的电阻状态。
[0046]在一些示例中，该方法还包括利用电连接到晶体管的第二源极/漏极端子的电流传感器测量电阻状态。利用连接到第二源极/漏极端子的电流传感器测量电阻状态可以包括改变第一和第二源极/漏极与晶体管的栅极端子之间的导电率。
[0047]此外，该方法可以包括暂时降低电压以将存储器单元切换成高电阻状态或暂时增加电压以将存储器单元切换成低电阻状态。在降低或增加电压之后，电压电平可以恢复到保持电压电平以将NDR材料保持在其现有的电阻状态内。
[0048]图10是根据在此所述原理的用于操作存储器装置的过程的说明性流程图(1000)的图。在本示例中，该过程可以包括确定(1002)是否已经指令存储器装置写存储器。
[0049]如果已经指令存储器装置将信息写入存储器，那么存储器装置可以首先确定(1004)哪个存储器单元将写入信息。随后，存储器装置可以改变(1006)施加到串联连接至NDR材料的源极/漏极端子的电压，以切换存储器单元的电阻状态。另一方面，如果还未指令存储器装置写存储器，那么存储器装置可以将施加到NDR材料的电压保持(1008)在NDR材料的现有电阻状态的稳定范围内。
[0050]该过程还可以包括确定(1010)是否已经指令存储器装置读取存储器单元。如果否，那么存储器装置可以继续将电压保持(1008)在NDR材料的现有电阻状态的稳定范围内。如果已经指令存储器装置读取存储器单元，那么存储器装置可以暂时增加(1012)存储器单元的读取使能线上的电压。存储器装置可以测量(1014)在读取使能线的暂时电压增加期间通过晶体管的电流。随后，该过程可以包括确定(1016)电流测量值是否在“I”阈值之上。如果电流在“I”阈值之上，那么存储器装置可以报告(1018) 二进制信息的“I”。如果测量的电流低于“ I ”阈值，那么存储器装置可以报告二进制信息的“O”。在一些示例中，如果NDR材料处于高电阻状态，那么电流传感器测量特定的安培水平，如I安培。在一些示例中，如果NDR材料处于低电阻状态，那么电流传感器测量特定的安培水平，如15安培。
[0051]虽然以上示例已经利用特定类型的晶体管进行了描述，但是根据在此所述的原理可以使用任意类型的晶体管。而且，虽然存储器单元的布置已经利用特定布置进行了描述，但根据在此所述的原理可以使用任意布置的存储器单元。虽然以上示例已经具体参考了NDR材料关于源极/漏极端子、P型半导体材料和栅极端子的特定位置而进行了描述，但是NDR材料关于与在此所述的原理相兼容的源极/漏极端子、P型半导体材料和栅极端子的位置的任意位置或布置可以使用。虽然以上示例已经参考晶体管的第一和第二源极/漏极端子之间的特定类型的半导体沟道在上面进行了描述，但是与在此所述原理兼容的任意类型的沟道可以使用。
[0052]虽然以上示例已经具体参考了特定类型的NDR材料进行了描述，但表现出与在此所述原理兼容的NDR特性的任意材料可以使用。虽然以上示例已经具体参考了特定NDR特性和/或负载线进行了描述，但根据在此所述原理可以使用表现出不同NDR特性和/或负载线的材料。此外，虽然以上示例已经参考特定方法和过程进行了描述，但与在此所述原理兼容的任意方法或过程可以使用。
[0053]虽然以上示例已经参考写入存储器和读取存储器的特定方法进行了描述，但与在此所述原理兼容的读取和写入存储器的任意方法可以使用。此外，虽然测量电流已经具体参考特定示例进行了描述，但根据在此所述原理可以使用用于测量电流的任意方法或机制。而且，虽然存储器装置已经关于存储器单元的特定布置进行了描述，但与在此所述原理兼容的任意存储器单元布置可以使用。
[0054]在前描述仅被提供用于说明和描述在此所述的原理的示例。本描述不旨在是详尽的或将这些原理限制于所公开的任意精确形式。根据以上教导，许多修改和变化是可能的。
【权利要求】
1.一种存储器单元，包括: 晶体管，具有第一源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子利用半导体材料与第二源极/漏极端子分隔开； 栅极端子，被放置在所述半导体材料附近使得栅极端子电压的增加会增加所述半导体材料的导电率；并且 所述第一源极/漏极端子串联连接到负微分电阻材料。
2.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述负微分电阻材料是电流控制的负微分电阻材料。
3.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述第二源极/漏极端子电连接到电流传感器。
4.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述负微分电阻材料被合并到连接至所述第一源极/漏极端子的垂直连接器中。
5.根据权利要求1所述的存储器单元，其中所述第一源极/漏极端子连接到写入线，所述第二源极/漏极端子连接到位线，并且所述栅极端子连接到读取使能线。
6.一种存储器装置，包括: 以多行和多列布置的多个存储器单元； 每个存储器单元包括:晶体管，具有第一源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子利用半导体材料与第二源极/漏极端子分隔开；和被放置在所述半导体材料附近的栅极端子；并且 所述第一源极/漏极端子串联连接到负微分电阻材料。
7.根据权利要求6所述的存储器装置，其中所述存储器单元包括互补金属氧化物半导体电路。
8.根据权利要求6所述的存储器装置，其中所述多行连接到电流传感器。
9.根据权利要求6所述的存储器装置，其中所述第一源极/漏极端子连接到写入线，所述第二源极/漏极端子连接到位线，并且所述栅极端子连接到读取使能线。
10.根据权利要求6的存储器装置，其中所述多个存储器单元被合并到包括多个处理器模块的集成电路中。
11.一种用于存储具有负微分电阻材料的存储器的方法，包括: 在双稳态存储器单元的第一稳定区域内保持电压在第一值，在所述第一稳定区域中所述双稳态存储器单元包括串联连接到晶体管的第一源极/漏极端子的负微分电阻材料；和 将所述电压改变到第二值以切换所述双稳态存储器单元的电阻状态。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括:利用电连接到所述晶体管的第二源极/漏极端子的电流传感器测量所述电阻状态。
13.根据权利要求12所述的方法，其中利用连接到第二源极/漏极端子的电流传感器测量所述电阻状态包括:改变所述第一源极/漏极端子和所述第二源极/漏极端子与所述晶体管的栅极端子之间的导电率。
14.根据权利要求11所述的方法，将所述电压改变到第二值以切换所述双稳态存储器单元的电阻状态包括:暂时降低所述电压以将所述双稳态存储器单元切换至高电阻状态。
15.根据权利要求11所述的方法，将所述电压改变到第二值以切换所述双稳态存储器单元的电阻状态包括:暂时增加所述电压以将所述双稳态存储器单元切换至低电阻状态。
【文档编号】H01L21/8246GK104396013SQ201280074223
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】马修·D·皮克特 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业