用于两端点存储器的选择器装置的制造方法
【专利说明】用于两端点存储器的选择器装置
[0001]有关本申请的交互参考
[0002]本申请主张第61/951，454号美国临时专利申请案的权益，其名称为用于两端点装置的选择器装置(SELECTOR DEVICE FOR TWO TERMINAL DEVICE)并提交于 2014 年 3 月 11日，以及主张第62/021，660号美国临时专利申请案的权益，其名称为FAST Applicat1ns并提交于2014年7月7日，于此将其各自分别完整内容并入本文且于各方面做为参考。
技术领域
[0003]本发明一般有关于电子存储器，例如，本发明描述一种用于存储器装置的经配制以提供非线性电流-电压响应的选择器装置。
【背景技术】
[0004]集成电路技术的领域中近期的创新为电阻式存储器(resistive memory)。在多数电阻式存储器技术开发阶段期间，各种用于电阻式存储器的技术概念已被本发明的受让人所验证，并且其在证实的一或多个阶段以证明或反驳相关的理论。即便如此，电阻式存储器技术被寄望在半导体电子工业的技术竞争中拥有巨大的优势。
[0005]电阻式随机存取存储器(Resistive random access memory ；RRAM)是电阻式存储器的一种。本发明的发明人相信RRAM具有潜力以作为高密度非易失性讯息存储技术。一般而言，RRAM是在有区别的阻态(resistive state)之间透过可控地切换存储讯息。单一的电阻式存储器能够存储单一位元的讯息或多个位元，以及能够被配置作为一次性可编程单元(one-time programmable cell)、或可编程和可抹除的装置，以作为由该受让人提供的各种经验证的记忆模型。
[0006]发明人已提出各种理论以解释电阻式切换的现象。于一个此类理论中，电阻式切换是导电结构形成于相反电气绝缘介质中的结果。该导电结构可以由离子、可在适当环境下(如适合的电场)被离子化的原子，或其他携带电荷的机制形成。在其他此类理论中，可以出现原子的电场辅助扩散(field-assisted diffus1n)以响应到施加于电阻式记忆单元的适合的电位。在另外其他由发明人提出的理论中，可以出现该导丝(conductivefilament)的形成以响应到二元氧化物(binary oxide)(如，N1, T12,或类似物)中的焦耳热和电化学过程，或透过离子的导体包括氧化物、硫族化物、聚合物等的氧化还原过程。
[0007]发明人期待基于电极、绝缘体、电极模型的电阻式装置展现出良好的持久力和生命周期。而且，发明人预期此类装置具有高芯片上(on-chip)密度。因此，电阻式元件可以做为使用于数位讯息存储的金氧半导体(MOS)晶体管的其他可行的选择。例如，本专利申请案的发明人相信电阻-切换存储器装置的模型提供一些潜在技术优势优于非易失性快闪MOS装置。
[0008]根据上述，发明人试图对存储器技术以及电阻式存储器做出进一步改善。
【发明内容】
[0009]以下提出本说明书的简化的概述以为了提供有关本说明书一些方面的基本了解。此概述并非本说明书延伸的概观。其并不是意图标示本发明的重要或关键元件也不是意图描述任何本发明的具体实施例的范围或权利要求书的任何范围。其目的是为了以简化的形式提出本发明的一些概念以作为对本揭露中的更详细描述的前序。
[0010]本发明的各种具体实施例中，提供有一个用于固态存储器应用的选择器装置。于各种具体实施例中，该选择器装置可用以具有非线性电流-电压(1-V)关系。再者，该选择器装置可以，孤立地，为具有响应第一电气条件的第一电气状态以及缺乏该第一电气条件的第二电气状态的易失性装置。
[0011]于一或多个具体实施例中揭露整体的固态建构与非易失性存储器装置串联形成。该整体的固态建构可以是选择器装置，如于此所提供。而且，该选择器装置可提供本质上为非线性1-V响应，其适合用于该非易失性存储器装置以减轻漏电流。因此，在至少一些具体实施例中，该整体的固态建构和该非易失性存储器装置的串联组合可以充当1-晶体管、多-电阻(ΙΤ-nR)电阻式存储器单元阵列的存储器单元组之一(如，该存储器单元为1-选择器、1-电阻(1S-1R)的配置)。
[0012]又于另外的具体实施例中揭露一种用以展现非线性1-V关系至不同极性讯号的选择器装置。例如，该选择器装置可展现第一非线性1-V关系以响应第一极性的讯号，以及第二非线性1-V关系以响应第二极性的第二讯号。于一些具体实施例中，该第一非线性1-V关系和该第二非线性1-V关系可以具有相似或相同的曲度，然而于其他具体实施例中该第一非线性1-V关系和该第二非线性1-V关系可以具有不同曲度。于更多的具体实施例中，该选择器装置可被提供为与双极性存储器装置串联。于这些具体实施例中，该选择器装置可以提供非线性响应用于第一极性的读和写的操作，以及第二极性的抹除操作。
[0013]于更多具体实施例中，提供一种用于形成用于两端点存储器装置的选择器装置的方法。该方法可包括提供包括第一金属材料的第一层状结构以及提供接触该第一层状结构的选择器材料层。再者，该方法可以包括提供包括第二金属材料并接触该选择器材料层的第二层状结构。于各种具体实施例中，该第一金属材料或该第二金属材料可用以提供导电离子至该选择器材料以分别响应第一极性或第二极性的电压，该电压被施加跨过该第一层状结构和该第二层状结构，以及该选择器材料用以使该导电离子能够渗透入该选择器材料层以响应该施加跨过该第一层状结构和第二层状结构的电压。于其他替代或另外的具体实施例中，该第一层状结构、该选择器材料层、以及该第二层状结构形成该选择器装置以及该选择器装置与该两端点存储器装置电气串联。
[0014]由其他被揭露的具体实施例中，本发明主旨揭露提供一种用于两端点存储器的选择器装置。该选择器装置可包括第一层状结构以及接触该第一层状结构的选择器材料层，且该第一层状结构包括第一金属材料。而且，该选择器装置可包括接触该选择器材料层并包括第二金属材料的第二层状结构。于一些具体实施例中，该第一金属材料或该第二金属材料可分别用以提供导电离子至该选择器材料以响应第一极性或第二极性的阈电压，该阈电压被施加跨过该第一层状结构和该第二层状结构。于其他具体实施例，该选择器材料用以使该导电离子能够渗透入该选择器材料层以响应该施加跨过该第一层状结构和第二层状结构的阈电压。根据又其他的具体实施例，该选择器装置与该两端点存储器装置电气串联。
[0015]较上述更进一步，本发明提供一种操作包括多个两端点存储器装置和多个选择器装置的交叉存储器阵列的方法，其中该多个两端点存储器装置各自与该多个选择器装置的一个选择器装置串联，其中各选择器装置关联第一电气特性以响应小于阈电压的施加电压，以及关联第二电气特性以响应大于或等于该阈电压的施加电压。该方法可包括施加大于该阈电压的第一电压至包括串联第一选择器装置的第一两端点存储器装置的第一存储器结构。该方法可额外包括施加该第一电压的同时，施加小于该阈电压的第二电压至包括串联第二选择器装置的第二两端点存储器装置的第二存储器结构。而且，该方法可以包括决定电流以响应施加该第一电压同时施加该第二电压。于至少一具体实施例中，该电流包括关联该第一选择器装置的第一电流和关联该第二选择器装置的第二电流。于一或多个另外的具体实施例中，该第一电流和该第二电流的电流比落于选自由约1，000至约10，000、约 10，000 至约 100，000、约 100，000 至约 I, 000，000、以及约 I, 000，000 至约 10，000，000的比例范围所组成的群组。根据本揭露，超出10，000，000的电流比为想象的。
[0016]以下叙述和附图展示本发明特定作为说明的方面。这些方面为象征性的，然而，但本发明的原则可被使用于该各种方法中的一些。自以下详尽的描述考虑与该附图协力将使本发明的其他优点和新颖性特征变得明白。
【附图说明】
[0017]本发明的各方面或特征是参考附图以描述，其中相似参考符号始终用来指相似元件。本说明书中，多数具体的细节被描述以为了提供对本揭露全面性的了解。然而，应注意的是，缺乏这些具体细节，或以其他方法、组成、材料等，本主题揭露的某些方面仍可被实行。于其他实例中，众所皆知的结构和装置以方块图形式显示以帮助描述揭露本发明主匕曰；
[0018]图1图是根据各种揭露的具体实施例描绘一个例示的配备有固态选择器装置的整体结构的方块图；
[0019]图2绘制一个作为范例的响应第一极性的电气特性的选择器装置行为的方块图；
[0020]图3描绘一个作为范例的响应第二极性的电气特性的选择器装置行为的方块图；
[0021]图4是根据本揭露其他选择或另外的方面绘制一个作为范例的选择器装置方块图；
[0022]图5绘制于一些具体实施例中，作为范例的选择器装置的电流-电压(1-V)响应的图形；
[0023]图6绘制于其他被揭露的具体实施例中，作为范例的选择器装置的1-V响应的图形；
[0024]图7是根据具体实施例绘制一个例示的提供以与存储器装置结合的选择器装置的方块图；
[0025]图8描绘一个例示的包括与两端点存储器串联的个别的选择器装置的存储器单元的排列的方块图；
[0026]图9绘制一个作为范例的交叉存储器结构图，说明漏电流的影响和非线性1-V响应的好处；
[0027]图10是根据各种经揭露的具体实施例，描绘一个作为范例的用于制造选择器装置的方法流程图；
[0028]图11绘制一个例示的用于制造与两端点存储器装置串联的固态选择器装置的方法流程图；
[0029]图12是根据更多经揭露的具体实施例描绘一个例示的用于操作存储器单元阵列的方法流程图；
[0030]图13是根据各种经揭露的具体实施例绘制一个用于存储器装置的范例操作和控制环境的方块图；
[0031]图14描绘一个例示的计算环境的方块图，其可以与各种具体实施例结合实行。
【具体实施方式】
[0032]本揭露关于一种用于两端点存储器单元的选择器装置，运用于数位讯息储存。在一些实施例中，该两端点存储器单元可包括电阻式技术，例如电阻式切换两端点存储器单元。电阻式切换两端点存储器单元(也称作为电阻式切换存储器单元或电阻式切换存储器)，如本文所使用，包括具有主动区域于两个导电触点之间的导电触点的电路部件。该两端点存储器装置的该主动区域，在电阻式切换存储器的配置中，显示多个的稳定或半稳定电阻式状态，每个电阻式状态具有不同的电阻。此外，该多个状态中的各自一个可成形或启动以响应于施加在该两个导电触点的合适的电子讯号。该适合的电子讯号可为电压值、电流值、电压或电流极性等等，或是上述项目的适当结合。尽管并不详尽，电阻式切换两端点存储器装置的范例可包括电阻式随机存取存储器(RRAM)、相变化随机存取存储器(PCRAM)以及磁性随机存取存储器(MRAM)。
[0033]本案揭露的实施例可提供一种能够与非易失性存储器单元整合的易失性选择器装置。在各种实施例中，该易失性选择器装置或该非易失性存储器单元可为丝状为基础(filamentary-based)的装置。丝状为基础的装置的一种范例可包括:导电层例如金属、P型掺杂(或η型)硅(Si)承载层(例如P型或η型多晶硅、P型或η型多晶SiGe等等)、电阻式切换层(RSL)以及能够离子化的主动金属层。在合适的条件下，该主动金属层可提供丝状形成离子至该RSL。在这样的实施例，导丝(conductive filament)(例如由该离子所形成)可有利于通过至少一部分的该RSL的电气导电性，并且该丝状为基础的装置的电阻可由介于该丝状以及该导电层之间的隧穿(tunneling)电阻来决定。
[0034]在本发明的存储器单元的各种实施例中，P型或η型硅承载层可包括P型或η型多晶硅、P型或η型多晶SiGe等等。RSL(在本技术领域中也可称作为电阻式切换介质(RSM))可包括，例如未掺杂的非晶硅层、具有固有特性的半导体层、硅亚氧化物(例如S1x，其中X值介于0.1到2之间)、以及等等。适合用于该RSL的材料的其他范例可包括SixGeYOz (其中X、Y以及Z各自为适合的正整数)、硅氧化物(例如S1N，其中N为适合的正整数)、非晶硅(a-Si)、非晶SiGe(a_SiGe)、TaOB(其中B为适合的正整数)、HfOc(其中C为适合的正整数)、T111 (其中D为适合的数)、A120e(其中E为适合的正整数)以及等等，或是上述项目的适当结合。在各种实施例中，该RSL包括数个空隙或缺陷。
[0035]用于丝状为基础的存储器单元的主动金属层可包括:银(Ag)、金(Au)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)或其他适合的钛化合物、镍(Ni)、铜(Cu)、铝(Al)、络(Cr)、钽(Ta)、铁(Fe)、锰(Mn)、钨(W)、钒(V)、钴(Co)、钼(Pt)、铪(Hf)、以及钯(Pd)等等。其他适合的导电材料，以及化合物、合金、或上述的结合或是类似材料，可被运用于该主动金属层在本案揭露的某些样态中。关于本案揭露的实施例的某些细节类似前述范例可于以下授权给本申请专利的受让人的美国专利申请中发现:申请号11/875，541申请于2007.10.19以及申请号12/575,921申请于2009.10.08，藉由引用于本文中并入其各自的全部内容并为了所有目的。
[0036]在各种所揭露的具体实施例中，揭露了丝状为基础的切换装置并且描述其运作方式。在某些具体实施例中，丝状为基础的切换装置可为易失性切换装置，其显现第一可测量独特状态在缺乏合适的外部刺激下，并且显示第二可测量独特状态以响应该适合的外部刺激。本文中该易失性切换装置通常称作为选择器装置或是选择装置、丝状选择器装置、丝状为基础的选择器装置等等；虽然这样的装置，其组成或应用不应被限制于此术语。在其他的具体实施例，丝状为基础的切换装置可为非易失性切换装置，其显现第一可测量独特状态直到施加合适的第一外部刺激以转换该非易失性切换装置至第二可测量独特状态。接着，该非易失性切换装置显现该第二可测量独特状态直到施加合适的第二外部刺激。非易失性丝状为基础的切换装置可具有多于两种可测量独特状态，导致多层级单元功能，虽然本揭露一般表示该二进制情况。本文中非易失性丝状为基础的切换装置一般表示为存储器单元、电阻式存储器单元、丝状为基础的存储器单元等等，但同样这类装置的组成、功能或应用不应被限制于此术语。
[0037]丝状选择器装置可显现第一状态(例如，第一电阻、或其他合适的可测量特性)在缺乏适合的外部刺激下。该刺激可具有当施加该刺激时，诱导该丝状选择器装置从第一状态转换至第二状态的阈值或这类数值的范围。该丝状选择器装置回到该第一状态以响应小于该阈值(或是数值的阈值范围)的该刺激。在某些所揭露的具体实施例中，丝状为基础的选择器装置可运作在双极性方式，以不同的行为响应不同的极性(或方向、能量流、能量源方向等等)的外部刺激。如说明性的范例，响应超出第一阈电压(或电压组)的第一极性刺激，该丝状选择器装置可从该第一状态转换至该第二状态。更进一步，响应超出第二阈值电压的第二极性刺激，该丝状选择器装置可从该第一状态转换至第三状态。在某些具体实施例中，该第三状态可实质上与该第一状态相同，具有相同或相似的可测量独特特性(例如，导电性等等)、具有相同或相似的阈值刺激的量值(虽然相反的极性或方向)等等。在其他的具体实施例中，该第三状态可与该第二状态不同，无论是在该可测量特性的项目(例如，不同导电性数值以响应当相对于之前极性为反转的极性)或是关联该第一状态的转换的阈值刺激的项目(例如，所需要以转换至该第二状态的正电压的不同量值，相对于所需要以转换至该第三状态的负电压的量值)。
[0038]在某些具体实施例中，并藉由举例的方式，所揭露的丝状为基础的选择器装置可成形导电路径或通过相对高电阻部分的细丝以响应合适的外部刺激。该外部刺激可引起主动金属层之内的金属粒子迀移(或离子化)在该丝状选择器装置的RSL层之内。进一步来说，该RSL可经选择以具有相对少的物理缺陷位置对于该易失性丝状切换装置，以利于该金属粒子的相对良好的迀移率于该RSL之内。因此，在关联的阈值刺激(或阈值数值的狭窄范围)以下，该金属粒子可消散在该RSL之内以防止形成足够的导电性路径通过该RSL以降低关联该第一状态的高电阻。在该阈值之上，该外部刺激维持该金属粒子于足够成形以提供该导电性路径，导致该第二状态的相对低电阻。类似的机制可控制该第三状态的运作于该双极性方面。
[0039]对于非易失性丝状为基础的电阻式切换存储器单元，RSL可经选择以具有足够物理缺陷位置于其中，从而于缺少合适的外部刺激下捕获粒子到适当之处，减轻粒子的迀移率以及消散。这，响应施加跨过该存储器单元的合适的编程电压，导电性路径或细丝形成通过该RSL。详而言之，依据编程偏压电压的应用，金属离子从该主动金属层产生并且迀移进入该RSL层。更进一步来说，金属离子迀移至该RSL层之内的该空隙或缺陷位置。于一些实施例中，当该偏压电压移除时，该金属离子变为中性金属粒子且仍被困在该RSL层的空隙或缺县尉至。当足够的离子变为被捕获时，细丝是成形并且该存储器单元从相对高电阻状态切换至相对低电阻状态。更详而言之，该被捕获的金属粒子提供通过该RSL层的导电性路径或细丝，并且典型上由通过该RSL层的隧穿电阻来决定电阻。在某些电阻式切换装置中，可实施抹除程序以解形成(deform)该导电性细丝，于至少一部分，导致该存储器单元从该低电阻状态回到该高电阻状态。更详而言之，依据抹除偏压电压的应用，被捕获在该RSL的空隙或缺陷中的金属粒子变为移动的并且迀移回朝向该主动金属层。此状态的改变，在存储器的背景下，可关联于二进制位的个别状态。对