具有双向开关特性的双端子开关元件、包括它的电阻存储交叉点阵、以及制造双端子开关 ...的制作方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种开关元件，更具体而言，涉及一种具有双向开关特性的双端子型开关元件。
【技术背景】
[0002]当前，在商业化的电阻随机存取存储器(resistive random accessmemories, RRAM)闪存中，使用了基于电荷在电荷存储层内储存或电荷从该电荷存储层去除的阈值电压变化。电荷存储层可以是作为多晶硅层的浮置栅极(floating gate)或作为氮化硅层的电荷捕获层。近来，已经研究比闪存具有更低功耗和更高集成度的新一代电阻存储元件。例如，所述新一代电阻存储元件包括相变随机存取存储器(PRAM)、磁阻RAM(MRAM)、和电阻变 RAM (resistance change RAM，Re RAM)。
[0003]为了实现电阻存储元件作为阵列(array)，通常提供了具有存储特性的电阻元件和电连接到该电阻元件上的选择性元件。该选择性元件可以是晶体管或二极管。然而，晶体管的限制是该元件的尺寸由于短沟道效应如穿通而减小。此外，由于一般的二极管使得电流在一个方向流动，因此有一个二极管不适合用于在正极性有电阻变化特性的双极元件如电阻元件的缺点。此外，在晶体管中，由于形成栅电极、源/漏区域、源/漏电极，因此有一个晶体管不适合于高度集成的缺点。
[0004]为了解决这些问题，韩国专利申请公开号2011-0074353公开了有一对PN 二极管形成在双极存储元件两端的存储元件。然而，在这种情况下，形成在所述双极存储元件下端的PN 二极管的特性与形成在所述双极存储元件上端的PN 二极管的特性可能难以对称。此夕卜，当正向电场施加在两个PN 二极管中的任何一个时，反向电场就施加在另外一个上。因反向电流密度降低正向电流密度，所以正常存储操作可能是困难的。
[0005]【信息公开】
[0006]【技术问题】
[0007]本发明旨在提供具有双向开关特性和对称元件操作特性的双端子开关元件、电阻存储交叉点阵，及制造它们的方法，其中一个双端子开关元件被包括在一单元区内以提高集成度。
[0008]【技术方案】
[0009]本发明的一方面提供了双端子开关元件。提供了第一电极和第二电极。布置了电连接至第一电极和第二电极上的一对第一导电型金属氧化物半导体层。所布置的第二导电型金属氧化物半导体层被布置在所述第一导电型金属氧化物半导体层之间。
[0010]所述第一导电型金属氧化物半导体层可以是相同的材料层。
[0011]所述第一导电型和第二导电型的任何一个都可以是P-型，且另外一个可以是N-型。每个P-型金属氧化物半导体层都可以有小于等于3eV的带隙(band gap)。该P-型金属氧化物半导体层的氧原子比例可以是30-50%，大于满足化学计量比时的比例。该P-型金属氧化物半导体层可以是CuOx (1.Kx ^ 1.5)或CoOx (1.Kx ^ 1.5)。所述N-型金属氧化物半导体层可以是选自于由ZnO、SnO2N ln203、Ga203、InSnO、GalnO、ZnlnO、ZnSnO、InGaZnO、Ti02、Ce02、A1203、Ta205、La02、Nb02、LiNb03、BaSrT13N SrTi03、Zr02、SrZrO3N Nb-惨杂的SrTi03、Cr-掺杂的SrT13、和Cr-掺杂的SrZrO3K组成的组中的一种金属氧化物层。
[0012]本发明的另一方面提供了电阻存储交叉点阵。该电阻存储交叉点阵包括第一端电极和第二端电极。开关层被布置在所述第一端电极和第二端电极之间。该开关层包括一对第一导电型金属氧化物半导体层和布置在所述第一导电型金属氧化物半导体层之间的第二导电型金属氧化物半导体层。双极可变电阻层被布置在所述开关层和第二端电极之间。
[0013]所述可变电阻层可以是磁隧道结(magnetic tunnel junct1n, MTJ)结构或电阻变存储层。
[0014]中间电极可以位于所述开关层和可变电阻层之间。所述第一端电极和中间电极可以是相同的材料层。
[0015]本发明的另一方面提供了制造双端子开关元件的方法。第一，将第一导电型下部金属氧化物半导体层形成在第一电极上。将第二导电型金属氧化物半导体层形成在所述第一导电型下部金属氧化物半导体层上。将第一导电型上部金属氧化物半导体层形成在所述第二导电型金属氧化物半导体层上。将第二电极形成在所述第一导电型上部金属氧化物半导体层上。
[0016]可以对在其上形成所述第二电极的所得结构进行退火。所述退火可以包括热处理或紫外(UV)处理。
[0017]所述第一导电型金属氧化物半导体层可以是相同的材料层。
[0018]所述第一导电型和第二导电型的任何一个都可以是P-型，且另外一个可以是N-型。该P-型金属氧化物半导体层可以有小于等于3eV的带隙。该P-型金属氧化物半导体层的氧原子比例可以是30-50%，大于满足化学计量比时的比例。该P-型金属氧化物半导体层可以是Cu0x(l.Kx彡1.5)或Co0x(l.Kx彡1.5)。所述N-型金属氧化物半导体层可以是选自于由 ZnON SnO2N ln203、Ga2O3、InSnO、GalnO、ZnlnO、ZnSnO、InGaZnO、Ti02、Ce02、Al2O3' Ta2O5' La02、Nb02、LiNbO3、BaSrT13、SrT13、Zr02、SrZrO3、Nb-掺杂的 SrT13、Cr-掺杂的SrT13、和Cr-掺杂的SrZrO3K组成的组中的一个金属氧化物层。
[0019]本发明的另一方面提供了电阻存储交叉点阵的制造方法。第一，将包括第一导电型下部金属氧化物半导体层、第二导电型金属氧化物半导体层、和第一导电型上部金属氧化物半导体层的开关层形成在第一端电极上。将第二端电极形成在所述开关层上。在形成所述开关层前，将可变电阻层形成在所述第一端电极上，或者在形成第二端电极前，将其形成在所述开关层上。
[0020]可以对在其上形成所述开关层的所得结构实施退火。所述退火可以包括热处理或UV处理。
[0021]所述可变电阻层可以是双极可变电阻层，例如MTJ结构或电阻变存储层。
[0022]中间电阻可以形成在所述开关层和可变电阻层之间。与开关层相邻的第一端电极或第二端电极和中间电极可以是相同的材料层。
[0023]【有益的效果】
[0024]根据本发明，双端子开关元件包括一对第一导电型金属氧化物半导体层和布置在所述第一导电型金属半导体层之间的第二导电型金属氧化物半导体层，因此能够显示对称的和双向的开关特性。此外，使用所述双端子开关元件可以提高电阻存储交叉点阵的集成度。
【【附图说明】】
[0025]图1是显示了根据本发明一个实施方案的双端子开关元件的截面图。
[0026]图2是显示了根据本发明一个实施方案的电阻存储交叉点阵单元区的截面图。
[0027]图3是显示了根据本发明另一个实施方案的电阻存储交叉点阵单元区的截面图。
[0028]图4A和4B是用来说明本发明一个实施方案的电阻存储交叉点阵的写入方法的示意图。
[0029]图5是显示出通过制造实施例1制造得到的CoOJl的卢瑟福背散射光谱(RBS)峰的图。
[0030]图6A和6B是显示出通过制造实施例1-4制造的P_N_P开关元件的电流-电压特性的图。
[0031]图7是显示出制造实施例1和5制造的P-N-P开关元件的电流-电压特性的图。
[0032]图8是显示出制造实施例6制造的可变电阻元件的电流-电压特性的图。
[0033]图9A和9B是显示出包含串联的P-N-P开关元件和可变电阻元件的元件的电流-电压特性的图。
[0034]【本发明的模式】
[0035]下面，为了进一步具体说明本发明，将参考附图更详细地说明本发明的示例性实施方案。然而，本发明不限于上述实施方案，并可以以不同的形式体现。
[0036]在本说明书中，应理解的是，当提及一个层被布置在另一个层或基底“上”时，其可以被直接形成在所述另一层或基底上，或可以有第三个层被插在它们中间。此外，在此说明书中，应理解的是，这里所用的方向术语如“上方”、“上(部)”、或“上表面”也可以被理解为“下方”、“下(部)”、“下表面”、“侧面”、“侧(部)”、或“侧表面”。也就是空间上的方向术语应被理解为指的是相对方向，而不应被理解为限制性的绝对方向。另外，在此说明书中，术语如“第一”或“第二”不限制组件，应被理解为区分组件的术语。
[0037]此外，层的厚度和面积在本说明书的附图中为清楚起见而被放大了。在整个说明书中，相同的标号说明是相同的组件。
[0038]图1是说明根据本发明一个实施方案的双端子开关元件的截面图。
[0039]参照图1，双端子开关元件包括第一电极100、第二电极300、一对分别电连接到所述第一电极100和第二电极300上的一对第一导电型金属氧化物半导体层210和230、和布置在所述第一导电型金属氧化物半导体层210和230之间的第二导电型金属氧化物半导体层220。因为所述第一导电型和第二导电型是相反的导电类型，一个可以是P-型，而另一个可以是N-型。因此，所述双端子开关元件可以具有P-N-P或N-P-N结构。
[0040]当第一电极100和第二电极300之间施加预定绝对值以上的电压时，可以在整个第二导电型金属氧化物半导体层220形成耗尽(deplet1n)层。此时，在与第一导电型金属氧化物半导体层210和230相接触的第二导电型金属氧化物半导体层220的侧表面中，电流可以在施加反向偏压的部分传导。结果，所述双端子开关元件可以被打开，可以有正值的阈值电压，也可以有负值的阈值电压，并因此而实现双向开关。
[0041]同时，第二导