阻变存储器件及存储装置和具有存储装置的数据处理系统的制作方法
【专利摘要】一种阻变存储器件，包括：第一电极层、第二电极层以及第一可变电阻层和第二可变电阻层，所述第一可变电阻层和第二可变电阻层在第一电极层和第二电极层之间层叠至少一次。第一可变电阻材料层可以包括具有电阻率高于第一电极层或第二电极层并且小于或等于绝缘材料的金属氮化物层。
【专利说明】阻变存储器件及存储装置和具有存储装置的数据处理系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年10月8日向韩国专利局提交的申请号为10_2012_0111184的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种半导体集成器件，更具体而言，涉及一种阻变存储器件和存储装置，以及包括存储装置的数据处理系统。
【背景技术】
[0004]代表非易失性存储器件的快闪存储器件已逐步变得更高集成。近来，需要低于20nm的高集成技术。由于快闪存储器件为了低功耗以低电压来操作，所以快闪存储器件由于电流裕度不足而遭遇物理的和电学的限制。因而，已经积极开展了对能替代这种快闪存储器件的非易失性存储器件的研究。
[0005]阻变存储器件是利用阻变材料的电流转换特性(根据施加的电压而变化)的存储器件。阻变存储器件作为可以替代快闪存储器件的非易失性存储器件而受到关注，并且典型地包括相变RAM (PRAM)、阻变RAM (ReRAM)等。
[0006]一般而言，PRAM利用过渡金属氧化物(TMO)以金属-绝缘体-金属(MIM)结构来制造。另外，近来开发的阻变存储器件利用形成在阻变材料层中的细丝(filament)来执行开关操作，并且可以容易地适用于缩小比例的存储器件。
[0007]图1是说明一般的阻变存储器件的结构的示图。
[0008]如图1中所示，阻变存储器件10具有层叠有第一电极层11、可变电阻材料层13以及第二电极层15的结构。
[0009]第一电极层11和第二电极层15可以例如由氮化钛(TiN)形成，并且可变电阻材料层13可以例如由诸如氧化钛(诸如TiO2或Ti02_x的TixOy)的金属氧化物形成。
[0010]图2是说明一般的阻变存储装置的单位单元的示图。
[0011]如图2中所示，存储器单元连接在位线BL与字线WL之间，并且存储器单元可以包括阻变存储器件R和选择器件S。阻变存储器件R可以包括图1中所示的结构，并且选择器件S可以包括二极管或晶体管等。
[0012]图3是说明图1中所示的阻变存储器件的电流/电压特性的曲线图。
[0013]参见图3，当施加从-2V的负电压到+2V的正电压的电压时可以看出电流/电压特性。图1中所示的阻变存储器件呈现出阻变开关行为，使得在+2V的施加电压下具有设定状态，并且在-2V的施加电压下具有复位状态。然而，可以看出操作电流与±250 μ A—样闻。
[0014]图4是说明另一种一般的阻变存储器件的示图。
[0015]如图4中所示的阻变存储器件10-1可以具有层叠有第一电极层11、第一可变电阻材料层13-1、第二可变电阻材料层13-2以及第二电极层15的结构。[0016]第一电极层11和第二电极层15可以例如由氮化钛(TiN)形成。第一可变电阻材料层13-1可以由基于TaxOy (例如，Ta2O5)的材料形成，并且第二可变电阻材料层13-2可以由基于TixOy (例如，TiO2或Ti02_x等)的材料形成。
[0017]在图4中所示的阻变存储器件中，可变电阻层具有双层结构，不同于图1中所示的阻变存储器件10。
[0018]图5是说明图4中所示的阻变存储器件的电流/电压特性的曲线图。
[0019]由于图4中所示的阻变存储器件10-1利用具有双层结构的过渡金属层，所以可以改善耐受性和数据保持特性。然而，如图5中所示，操作电压如-3V至+3V —样高，并且操作电流如±50 μ A —样高。
[0020]用在阻变存储器件中的过渡金属氧化物优选地具有良好的耐受性、长的使用寿命以及良好的开/关和保持特性，以确保器件的可靠性。然而，典型的过渡金属氧化物由于高驱动电压和电流而导致高功耗。
[0021]流经除了选中的器件以外的路径的寄生电流(sneak current)由于高操作电压和电流而发生。因而，需要一种控制寄生电流的方法。
[0022]因此，需要一种在低阻变存储器状态下具有非线性电流特性和低电流/电压特性的阻变存储器件。
【发明内容】
[0023]根据一个示例性实施例的一个方面，提供了一种阻变存储器件。阻变存储器件可以包括:第一电极层、第二电极层、以及第一可变电阻材料层和第二可变电阻材料层，所述第一可变电阻材料层和第二可变电阻材料层在第一电极层与第二电极层之间重复地层叠至少一次。第一可变电阻材料层可以包括金属氮化物层，并且其中，在复位状态下，第一可变电阻材料层的电阻率(i)高于第一电极层或第二电极层的电阻率、并且(ii)小于或等于第二可变电阻材料层的电阻率。
[0024]根据一个示例性实施例的另一个方面，提供了一种阻变存储装置。阻变存储装置可以包括:存储器单元阵列，所述存储器单元阵列包括连接在位线与字线之间的多个存储器单元；以及控制器，所述控制器被配置成控制针对存储器单元阵列中选中的存储器单元的数据读取和写入。多个存储器单元中的每个可以包括阻变存储器件。阻变存储器件可以包括第一电极层和第二电极层；以及第一可变电阻材料层和第二可变电阻材料层，所述第一可变电阻材料层和第二可变电阻材料层在第一电极层与第二电极层之间重复地层叠至少一次。第一可变电阻材料层可以包括金属氮化物层，并且其中，在复位状态下，第一可变电阻材料层的电阻率(i)高于第一电极层或第二电极层的电阻率、并且(ii)小于或等于第二可变电阻材料层的电阻率。阻变存储器件，包括:第一电极层、第二电极层以及第一可变电阻材料层与第二可变电阻材料层的至少一个叠层，所述叠层被设置在第一电极层和第二电极层之间，其中，第一可变电阻材料层包括金属氮化物层，并且其中，第一可变电阻材料层的电阻率在复位状态下具有如下电阻率:该电阻率高于第一电极层和第二电极层的电阻率、并且在20摄氏度下小小于或等于107μ Ω。
[0025]根据一个示例性实施例的另一个方面，提供了一种数据处理系统。数据处理系统可以包括:阻变存储装置、和存储器控制器，所述存储器控制器被配置成响应于主机的请求而访问阻变存储装置。阻变存储装置可以包括:存储器单元阵列，所述存储器单元阵列包括连接在位线与字线之间的多个存储器单元，多个存储器单元中的每个包括阻变存储器件；以及控制器，所述控制器被配置成控制存储器单元阵列的操作。阻变存储器件可以包括第一电极层和第二电极层；以及第一可变电阻层和第二可变电阻层，第一可变电阻层和第二可变电阻层在第一电极层与第二电极层之间重复地层叠至少一次。第一可变电阻材料层可以包括电阻率高于第一电极层或第二电极层并且小于或等于绝缘材料的金属氮化物层。
[0026]根据一个示例性实施例的另一个方面，提供了一种数据处理系统。数据处理系统可以包括:处理器，所述处理器被配置成控制整体操作；操作存储器，所述操作存储器被配置成储存用于处理器的操作所需的应用程序、数据、以及控制信号；阻变存储装置，所述阻变存储装置被配置成被处理器访问；以及用户接口，所述用户接口被配置成执行处理器与用户之间的数据输入/输出(I/o)。阻变存储装置可以包括:存储器单元阵列，所述存储器单元阵列包括连接在位线与字线之间的多个存储器单元，多个存储器单元中的每个包括阻变存储器件；以及控制器，所述控制器被配置成控制存储器单元阵列的操作。阻变存储器件可以包括:第一电极层和第二电极层；以及第一可变电阻层和第二可变电阻层，所述第一可变电阻层和第二可变电阻层在第一电极层与第二电极层之间重复地层叠至少一次。第一可变电阻材料层可以包括电阻率高于第一电极层或第二电极层并且小于或等于绝缘材料的金属氮化物层。
[0027]在以下标题为“【具体实施方式】”的部分描述这些和其它的特点、方面以及实施例。【专利附图】
【附图说明】
[0028]从如下结合附图的详细描述中将更加清楚地理解本公开的主题的以上和其它的方面、特征以及其它的优点，其中:
[0029]图1说明一般的阻变存储器件；
[0030]图2是说明一般的阻变存储装置的结构的示图；
[0031]图3是说明图1中的阻变存储器件的电流/电压特性的曲线图；
[0032]图4说明另一种一般的阻变存储器件；
[0033]图5是说明图4中的阻变存储器件的电流/电压特性的曲线图；
[0034]图6是说明根据本发明的一个示例性实施例的阻变存储器件的结构的示图；
[0035]图7是说明被包括在图6中的阻变存储器件中的电极层和第二可变电阻材料层的电阻率的示图；
[0036]图8至图16是说明根据本发明的各种示例性实施例的阻变存储器件的结构的示图；
[0037]图17是说明根据本发明的一个示例性实施例的阻变存储器件的电流/电压特性的曲线图；
[0038]图18和图19是说明根据本发明的示例性实施例的阻变存储器单元阵列的结构的示图；
[0039]图20是说明根据本发明的示例性实施例的存储装置的配置的示图；
[0040]图21是说明根据本发明的一个实施例的数据处理系统的配置的示图；以及
[0041]图22是说明根据本发明的另一个示例性实施例的数据处理系统的配置的示图。【具体实施方式】
[0042]在下文中，将参照附图更详细地描述示例性实施例。
[0043]本文参照截面图描述示例性实施例,截面图是示例性实施例(以及中间结构)的示意性图示。照此，可以预料到图示的形状变化是例如制造技术和/或公差的结果。因而，示例性实施例不应被解释为局限于本文所说明的区域的特定形状、而是可以包括例如缘于制造的形状偏差。在附图中，为了清楚起见，可能对层和区域的长度和尺寸进行夸大。相同的附图标记在附图中表示相同的元件。还要理解当提及一层在另一层或衬底“上”时，其可以直接在另一层或衬底上，或还可以存在中间层。
[0044]图6是说明根据本发明的一个示例性实施例的阻变存储器件的结构的示图。
[0045]参见图6，根据一个示例性实施例的阻变存储器件100可以包括如下结构:第一可变电阻材料层103和第二可变电阻材料层105在第一电极层101和第二电极层107之间层
叠至少一次。
[0046]图6说明了第一可变电阻材料层103形成在第一电极层101上的结构，但是本发明不局限于这种结构。阻变存储器件可以具有第一可变电阻材料层103形成在第二可变电阻材料层105与第二电极层107之间的结构。
[0047]第一电极层101和第二电极层107中的每个可以由如下材料形成:(i)金属材料，诸如钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、铜(Cu)、钌(Ru)、钼(Pt)、镍(Ni)、铱(Ir)、铝(Al)、锆(Zr)、铪(Hf)、银(Ag)、以及金(Au)，(ii)包括了所述金属材料的氮化物层，(iii)所述金属材料的硅化物层，或者(iv)包括了所述金属材料的氧化物层。
[0048]第二可变电阻材料层105可以由如下材料形成:(i)金属氧化物，诸如氧化锆(ZrOx )、氧化镍(NiOx )、氧化铪(HfOx )、氧化钛(TiOx )、氧化钽(TaOx )、氧化招(AlOx)、氧化镧(LaOx)、氧化银(NbOx)、氧化银钛(SrTiOx)、氧化镁(MgOx)、以及它们的组合材料，(ii)诸如PrCnMnO、LaCaMnO以及Sr (Zr) TiO3的钙钛矿，或者(iii )诸如锗硅(GeS)、锗硒(GeSe)、硫化铜(Cu2S)以及银锗硒(AgGeSe)固态电解质。然而，用于第二可变电阻材料层105的材料不局限于此。
[0049]可替选地，第一可变电阻材料层103可以包括金属氮化物层。具体地，第一可变电阻材料层103可以具有高于第一电极层、并且小于或等于绝缘材料的电阻率。其中，第一可变电阻材料层103包括金属氮化物层，并且其中，该金属氮化物在复位状态下的电阻率(i)高于第一电极层或第二电极层的电阻率、并且(ii)低于或等于第二可变电阻材料层在复位状态下的电阻率。例如，第一可变电阻材料层103可以具有高于150μ Ω并且小于或等于绝缘材料的电阻率。
[0050]在本发明的一个实施例中，第一可变电阻材料层103可以由诸如氮化钛(TiN)、氮化钛碳(TiCN)、氮化钛铝(TiAIN)、氮化钛硅(TiSiN)、氮化钽(TaN)、氮化钽碳(TaCN)、氮化钽硅(TaSiN)、氮化钽钛(TaTiN)、氮化钛硅(TiSiN)、氮化铪(HfN)、氮化锆(ZrN)、氮化钨(WN)、氮化铝(A1N)、以及它们的组合的材料形成。然而，用于第一可变电阻材料层103的材料不局限于此。另外，当第一可变电阻材料层103由金属氮化物层形成时，金属氮化物层可以利用诸如氮气(N2)、氢气(H2)、氨气(NH3)、氩气(Ar)以及它们的组合的气体而经由硝化作用来形成。[0051]图7说明图6中所示的阻变存储器件的电极层和第一可变电阻材料层的电阻率。
[0052]更具体地，图7说明了当在表1中所示的条件下形成层时，第一可变电阻材料层103和第一电极层101的电阻率的差异。
[0053]表1示出了根据由TaxNy形成的第一可变电阻材料层103的沉积条件的电阻率。
[0054][表 I]
[0055]
【权利要求】
1.一种阻变存储器件，包括: 第一电极层； 第二电极层；以及 第一可变电阻材料层与第二可变电阻材料层的至少一个叠层，所述叠层被设置在所述第一电极层与第二电极层之间， 其中，所述第一可变电阻材料层包括金属氮化物层，以及 其中，在复位状态下，所述第一可变电阻材料层的电阻率:(i)高于所述第一电极层或所述第二电极层的电阻率，并且(ii)小于或等于所述第二可变电阻材料层的电阻率。
2.如权利要求1所述的阻变存储器件， 其中，所述第一可变电阻材料层形成在所述第一电极层之上，并且所述第二可变电阻材料层形成在所述第一可变电阻材料层之上， 其中，所述第一可变电阻材料层具有第一可变电阻层与第二可变电阻层的层叠结构。
3.如权利要求2所述的阻变存储器件，其中，所述第一可变电阻层包括所述金属氮化物层，并且所述第二可变电阻层包括金属氧化物层。
4.如权利要求3所述的阻变存储器件，其中，所述金属氧化物层包括任何如下材料:(i)与所述第二可变电阻材料层大体相同并且成分配比与所述第二可变电阻材料层大体相同的材料，(?)与所述第二可变电阻材料层大体相同、但是成分配比与所述第二可变电阻材料层不同的材料，以及(iii)与所述第二可变电阻材料层不同的材料。`
5.如权利要求1所述的阻变存储器件，其中，所述第一可变电阻材料层形成在所述第一电极层之上，并且所述第二可变电阻材料层形成在所述第一可变电阻材料层之上， 其中，所述阻变存储器件还包括第三可变电阻材料层，所述第三可变电阻材料层介于所述第二可变电阻材料层与所述第二电极层之间，以及 其中，所述第三可变电阻材料层包括金属氮化物层，以及 其中，在复位状态下，所述第三可变电阻材料层的电阻率:(i )高于所述第一电极层或所述第二电极层的电阻率，并且(ii)小于或者等于所述第二可变电阻材料层的电阻率。
6.如权利要求5所述的阻变存储器件，其中，所述第一可变电阻材料层具有第一可变电阻层与第二可变电阻层的层叠结构。
7.一种阻变存储装置，包括: 存储器单元阵列，所述存储器单元阵列包括耦接在字线与位线之间的多个存储器单元；以及 控制器，所述控制器被配置成控制针对所述存储器单元阵列中选中的存储器单元的数据写入操作和数据读取操作， 其中，所述多个存储器单元中的每个包括阻变存储器件，以及 其中，所述阻变存储器件包括: 第一电极层； 第二电极层；以及 第一可变电阻材料层与第二可变电阻材料层的至少一个叠层，所述至少一个叠层被设置在所述第一电极层与所述第二电极层之间，以及 其中，所述第一可变电阻材料层包括金属氮化物层，以及其中，在复位状态下，所述第一可变电阻材料层的电阻率:(i)高于所述第一电极层或所述第二电极层的电阻率，并且(ii)小于或等于所述第二可变电阻材料层的电阻率。
8.如权利要求7所述的阻变存储装置，其中，所述第一可变电阻材料层还包括金属氧化物层。
9.如权利要求8所述的阻变存储装置， 其中，所述第一可变电阻材料层形成在所述第二可变电阻材料层之上， 其中，所述阻变存储器件还包括层叠在所述第一电极层的第二表面之上的第三可变电阻材料层， 其中，所述第三可变电阻材料层包括金属氮化物层，以及 其中，在复位状态下，所述第三可变电阻材料层的电阻率:(i )高于所述第一电极层或所述第二电极层的电阻率，并且(ii)小于或等于所述第二可变电阻材料层的电阻率。
10.一种阻变存储器件，包括: 第一电极层； 第二电极层；以及 第一可变电阻材料层与第二可变电阻材料层的至少一个叠层，所述叠层被设置在所述第一电极层与所述第二电极层之间， 其中，所述第一可变电阻材料层包括金属氮化物层，以及 其中，所述第一可变电阻材料层的电阻率在复位状态下具有如下电阻率:该电阻率高于所述第一电极层或所述第二电极层的电阻率、并且在20摄氏度下小于或等于107μ Ω。
【文档编号】H01L45/00GK103715354SQ201310369694
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2012年10月8日
【发明者】朴祐莹, 李起正, 金范庸 申请人:爱思开海力士有限公司