电阻随机存取存储器装置的制造方法
【专利摘要】本申请涉及一种电阻随机存取存储器装置。电阻随机存取存储器装置包含：第一线路，其在第一方向上延伸；第一离子源层，其经提供于所述第一线路上的第一部分中；及第一可变电阻层，其经提供于所述第一离子源层上。所述电阻随机存取存储器装置还包含第二线路，其经提供于所述第一可变电阻层上、面向所述第一部分且在不同于所述第一方向的第二方向上延伸。所述电阻随机存取存储器装置还包含：第二可变电阻层，其经提供于所述第二线路上的第二部分中；第二离子源层，其经提供于所述第二可变电阻层上；及第三线路，其经提供于所述第二离子源层上、面向所述第二部分且在所述第一方向上延伸。所述第一离子源层由不同于所述第二离子源层材料的材料形成。
【专利说明】电阻随机存取存储器装置
[0001]相关串请案的交叉参考
[0002]本申请案是基于并且请求2015年3月6日申请的美国临时专利申请案第62/129，369号的优先权权利，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]本文所描述的实施例大体上涉及一种电阻随机存取存储器装置。
【背景技术】
[0004]以ReRAM(电阻随机存取存储器)为代表的两端存储器单元实现低电压操作、高速切换及小型化。由于大容量存储器装置使用此两端存储器单元，故已提出交叉点类型非易失性电阻随机存取存储器装置。在此交叉点式非易失性电阻随机存取存储器装置中，需要抑制可变电阻层中的电流泄漏。
【发明内容】
[0005]根据一个实施例，一种电阻随机存取存储器装置包含:第一线路，其在第一方向上延伸；第一离子源层，其经提供于所述第一线路上的第一部分中；及第一可变电阻层，其经提供于所述第一离子源层上。所述电阻随机存取存储器装置还包含第二线路，其经提供于第一可变电阻层上、面向第一部分且在不同于第一方向的第二方向上延伸。所述电阻随机存取存储器装置还包含:第二可变电阻层，其经提供于第二线路上的第二部分中；第二离子源层，其经提供于第二可变电阻层上；及第三线路，其经提供于第二离子源层上、面向第二部分且在第一方向上延伸。所述第一离子源层由不同于第二离子源层材料的材料形成。
[0006]根据实施例，可提供抑制电流泄漏的一种电阻随机存取存储器装置。
【附图说明】
[0007]图1为说明根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器装置的方块图。
[0008]图2为说明根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器装置的透视图。
[0009]图3为沿图2中所示的线A-A’截取的横截面视图。
[0010]图4为说明图3中所示的区域B的横截面视图。
[0011]图5A及5B为说明图4中所示的区域Cl的横截面视图。
[0012]图6A及6B为说明施加到根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器装置的存储器单元的电压的变化的时序图，其中横坐标表示时间，且纵坐标表示电压。
[0013]图7为说明根据比较实例的非易失性电阻随机存取存储器装置的横截面视图。
[0014]图8A及8B为说明图7中所示的区域C2的横截面视图。
【具体实施方式】
[0015]下文将参考图式描述本发明的实施例。
[0016]实施例
[0017]将描述根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器装置I的配置。
[0018]图1为说明根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器装置的方块图。
[0019]如图1中所示，非易失性电阻随机存取存储器装置I具备驱动电路51、单元阵列52、控制总线53及数据总线54。在单元阵列52中，提供多个存储器单元。在存储器单元中，存在两种类型的存储器单元:存储器单元31及存储器单元32。驱动电路51及每一存储器单元31通过控制总线53及数据总线54连接。以相同方式，驱动电路51及每一存储器单元32通过控制总线53及数据总线54连接。控制总线53由彼此邻接的存储器单元32及存储器单元31共享，且数据总线54由彼此邻接的存储器单元31及存储器单元32共享。附带言之，图1中的部分Al中的存储器单元31及32为通过图2中所示的线路14彼此邻接的一对存储器单元。
[0020]图2为说明根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器的透视图。
[0021]如图2中所示，根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器装置I具备衬底11。衬底11具备非易失性电阻随机存取存储器装置的驱动电路51 (未展示)。在衬底11上，提供绝缘膜12。在绝缘膜12上，提供堆叠体13。
[0022]下文在本说明书中，为方便说明起见而采用XYZ正交坐标系统。
[0023]S卩，在图2中，将平行于衬底11与绝缘膜12之间的接触表面且彼此正交的两个方向定义为“X方向”及“Y方向”。此外，将相对于衬底11与绝缘膜12之间的接触表面提供堆叠体13的方向定义为“Z方向”。
[0024]在堆叠体13中，在Y方向上分离且在X方向上延伸的多个线路(电极)14及在X方向上分离且在Y方向上延伸的多个线路(电极)15交替堆叠。线路14未彼此连接，且线路15也未彼此连接。此外，线路14及线路15互相未彼此连接。
[0025]在Z方向上延伸的存储器单元提供于每一部分中，所述每一部分位于线路14中的每一者与线路15中的每一者之间且为线路14及线路15彼此交叉的部分。在除线路14、线路15及存储器单元之外的部分中，提供绝缘部件18。
[0026]图3为沿图2中所示的线A-A’截取的横截面视图。
[0027]图4为说明图3中所示的区域B的横截面视图。
[0028]如图3及4中所示，在存储器单元32中，可变电阻层23经提供于线路14上，且离子源层24经提供于可变电阻层23上。离子源层24提供于可变电阻层23上的结构被称为“第一次序的堆叠结构”。在存储器单元31中，离子源层21经提供于线路15上，且可变电阻层22经提供于离子源层21上。可变电阻层22提供于离子源层21上的结构被称为“第二次序的堆叠结构”。
[0029]可变电阻层22及可变电阻层23通过插入线路14安置于彼此面向的位置处。此夕卜，离子源层21及离子源层24也通过插入线路14安置于彼此面向的位置处。根据此配置，线路14可由存储器单元31及存储器单元32共享。S卩，可使用与离子源层24接触的线路14及线路15作为存储器单元32的线路。此外，可使用与离子源层21接触的线路14及线路15作为存储器单元31的线路。
[0030]可变电阻层23由(例如)氧化硅(S12)形成。
[0031]离子源层24由用于将离子供应到可变电阻层23的离子源及用于阻止线路15的金属材料的扩散的阻挡金属形成。
[0032]离子源层24的离子源由不太可能减少可变电阻层23中的氧化硅的材料(例如，银(Ag))形成。
[0033]以与所述离子源相同的方式，离子源层24的阻挡金属由不太可能减少可变电阻层23中的氧化硅的材料形成。离子源层24的阻挡金属的材料的实例包含氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)及氮化钨(WN)。在此等材料之中，氮化钨为优选的。
[0034]图5A及5B为说明图4中所示的区域Cl的横截面视图。如图4及5A中所示，在离子源层24由银及氮化钨形成的情况下，银聚集于离子源层24的基础侧上。此情况是由于银具有高表面张力。当银聚集时，离子源层24中的银聚集的部分膨胀，且许多凸起部分形成于离子源层24与线路15之间的接触表面上。可变电阻层23与离子源层24之间的接触表面为光滑的，且可变电阻层23的厚度不改变。
[0035]附带言之，银的聚集方式不限于银的各别聚集体彼此分离的情况(参见图5A)。举例来说，如图5B中所示，也可存在银的聚集以连续方式发生在离子源层24的基础侧上且银的各别聚集体彼此连接的情况。
[0036]堆叠结构为第二次序的堆叠结构的存储器单元31的离子源层21的离子源由不同于堆叠结构为第一次序的堆叠结构的存储器单元32的离子源层24的离子源材料的材料形成。离子源层21的离子源由不太可能聚集的材料(例如钛(Ti))形成。银具有高表面张力且很可能聚集，且因此，作为离子源层21的离子源的材料，相比银，钛为优选的。
[0037]堆叠结构为第二次序的堆叠结构的存储器单元31的可变电阻层22由不同于堆叠结构为第一次序的堆叠结构的存储器单元32的可变电阻层23材料的材料形成。此外，可存在以下情况:其中，在可变电阻层22中，可变电阻层22的材料与离子源层21的离子源的材料反应使得离子源的材料改变。举例来说，在将氧化硅用作可变电阻层22的材料且将钛用作离子源的材料的情况下，钛自氧化硅获得氧且转化为氧化钛(T12)。因此，可变电阻层22由不太可能与离子源层21的钛反应的材料(例如，氧化铪(HfO2))形成。
[0038]可变电阻层23可由除氧化硅(S12)之外的(例如)硅(Si)、氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锆(Zr2O3)、氧化钒(V2O5)或氧化钼(MoO3)形成。
[0039]离子源层24的离子源可由任何材料形成，只要所述材料不太可能减少可变电阻层23中的氧化物即可，且所述材料可为除银(Ag)之外的(例如)铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)、铁(Fe)、锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)或锌(Zn)。
[0040]离子源层21的离子源可由任何材料形成，只要所述材料不太可能聚集即可，且所述材料可为除钛(Ti)之外的(例如)钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)、氮化锆(ZrN)或钛钨(TiW)。
[0041]可变电阻层22可由除氧化铪(HfO2)之外的(例如)硅(Si)、氧化铝(Al2O3)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锆(Zr2O3)、氧化钒(V2O5)或氧化钼(MoO3)形成。
[0042]附带言之，在图式中，离子源层21不具有阻挡金属，但其可具有例如氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)或氮化钨(WN)的阻挡金属。在此情况下，阻挡金属位于线路15侧上，且离子源可经安置以位于可变电阻层22中。
[0043]作为用于堆叠结构为第一次序的堆叠结构的存储器单元32的代表性组合，(例如)可变电阻层23具有氧化硅，且离子源层24具有银或铜。作为用于堆叠结构为第二次序的堆叠结构的存储器单元31的代表性组合，(例如)可变电阻层22具有氧化铪，且离子源层21具有钛。以此方式，具有第一次序的堆叠结构的存储器单元32及具有第二次序的堆叠结构的存储器单元31由不同材料形成。
[0044]此外，可变电阻层23的厚度及可变电阻层22的厚度可不同。在图4中，可变电阻层22的厚度比可变电阻层23的厚度薄。
[0045]接下来将描述根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器装置I的操作。
[0046]如图1中所示，通过控制总线53及数据总线54执行存储器单元31及32的写入、读出、验证等。通过改变由控制总线53施加到存储器单元31及32的电压，执行写入、读出、验证等。
[0047]写入为将数据存储于存储器单元中的操作。验证为验证写入存储器单元中的数据是否正确的操作。下文通过说明写入及验证操作来进行描述。
[0048]图6A及6B为说明施加到存储器单元32及31的电压的变化的时序图，其中横坐标表示时间，且纵坐标表示电压。图6A中所示的脉冲Dl说明存储器单元32的写入操作，且图6A中所示的脉冲D2说明存储器单元32的验证操作。图6B中所示的脉冲El说明存储器单元31的写入操作，且图6B中所示的脉冲E2说明存储器单元31的验证操作。
[0049]如图6A中所示的脉冲D1，通过在Tpl周期期间将电压Vp施加到存储器单元32以将图3中所示的可变电阻层23自高电阻状态变为低电阻状态来执行写入操作。举例来说，使高电阻状态对应于数据“0”，且使低电阻状态对应于数据“I”。电压Vp对应于图3中所示的线路14与线路15之间的电压，且线路15的电位高于线路14的电位。
[0050]如图6A中的脉冲D2所展示，通过在Tfl周期期间将电压Vf施加到存储器单元32及量测图3中所示的可变电阻层23的电流来读出可变电阻层23的状态。S卩，验证操作执行如下:在电流高于阈值的情况下，可变电阻层23经确定处于低电阻状态(通过)，且在电流不高于阈值的情况下，可变电阻层23经确定处于高电阻状态(失败)。电压Vf对应于图3中所示的线路14与线路15之间的电压，且线路15的电位高于线路14的电位。
[0051]附带言之，在验证结果变为“失败”的情况下，再次执行写入及验证操作的循环。此时，电压Vp可增加一给定电压。重复写入及验证操作的循环直到验证结果变为“通过”。
[0052]在实施例中，离子源层的配置在存储器单元31与存储器单元32之间不同。因此，待施加到存储器单元32的写入电压的脉冲及待施加到存储器单元31的写入电压的脉冲形状不同。在驱动电路51中，分别需要用于产生待施加到存储器单元32及31的写入电压的脉冲的电路。归因于此，需要将待施加到存储器单元32及31的写入电压Vp标准化为电压的一个值。
[0053]因此，分别设定可变电阻层23的厚度及可变电阻层22的厚度，以使得待施加到存储器单元32的写入电压及待施加到存储器单元31的写入电压变为相同值。
[0054]通过此举，可变电阻层23具有不同于可变电阻层22厚度的厚度。举例来说，在由于由氧化铪(HfO2)形成可变电阻层22且通过由氧化硅(S12)等等形成可变电阻层23，存储器单元31的写入操作比存储器单元32的写入操作难的情况下，可变电阻层22的厚度比可变电阻层23的厚度薄。
[0055]因此，如图6B中以脉冲El所示，可使待施加到存储器单元31的写入电压Vp为与待施加到存储器单元32的写入电压Vp实质上相同的值。附带言之，可分别设定可变电阻层23及22的厚度，以使得待施加到存储器单元32及31的验证电压变为相同电压。在此情况下，如图6B中以脉冲E2所示，可使待施加到存储器单元31的验证电压Vf为与待施加到存储器单元32的验证电压Vf实质上相同的值。
[0056]附带言之，脉冲Dl及脉冲El的施加时间可经调整以使得待施加到存储器单元32及31的写入电压实质上为相同电压值。在此情况下，脉冲Dl的施加时间Tpl及脉冲El的施加时间Tp2为不同值。以相同方式，脉冲D2及脉冲Ε2的施加时间可以使得脉冲D2的施加时间Tfl及脉冲Ε2的施加时间Tf2经设定为不同值的方式经调整，以使得待施加到存储器单元32及31的验证电压实质上为相同电压。举例来说，在存储器单元31的写入操作比存储器单元32的写入操作难的情况下，脉冲El的施加时间Tp2可经设定为比脉冲Dl的施加时间Tpl长，且脉冲Ε2的施加时间Tf2可经设定为比脉冲D2的施加时间Tfl长。此外，伴随此情况，存储器单元31的写入及验证操作的一个循环的时间可经设定为比存储器单元32的写入及验证操作的一个循环的时间长。替代地，将存储器单元32的每一脉冲之间的时间设定为较长的，且存储器单元31及32的写入及验证操作的一个循环的时间可设定为相同时间。前者可减少非易失性存储器装置中的写入操作的时间，且后者可简化写入操作期间的控制。
[0057]将描述根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器装置I的效应。
[0058]在根据实施例的非易失性电阻随机存取存储器装置I中，使用具有低表面张力且不太可能聚集的材料作为离子源层21的离子源的材料。具有低表面张力且不太可能聚集的材料的实例包含钛(Ti)。在不发生聚集的情况下，可变电阻层22的厚度几乎不变化。
[0059]在离子源的材料聚集于离子源层21中且凸凹形形成于离子源层21的表面上的情况下，形成可变电阻层22的厚度局部较薄的部分。归因于此，当将小于电压Vp的电压施加到存储器单元31时，电流泄漏发生于可变电阻层22中，且可变电阻层22不能在高电阻状态与低电阻状态之间切换。因此，通过使用较离子源层22的离子源的材料不太可能聚集的材料，形成具有极少凸凹形的离子源层，借此抑制电流泄漏。
[0060]因此，可提供抑制电流泄漏的非易失性电阻随机存取存储器装置。
[0061]比较实例
[0062]接下来将描述比较实例。
[0063]图7为说明根据比较实例的非易失性电阻随机存取存储器装置的横截面视图。
[0064]图8A及8B为说明图7中所示的区域C2的横截面视图。如图7及8A中所示，在离子源层21以与离子源层24相同的方式由银及氮化钨形成的情况下，银聚集于离子源层21的基础侧上。此情况是由于银具有高表面张力。
[0065]当银聚集时，离子源层21中的银聚集的部分35膨胀，且许多凸起部分形成于离子源层21与可变电阻层22之间的接触表面上。对应于部分35的可变电阻层22中的部分36的厚度Tl相较于银不聚集的情况变得更薄。归因于具有薄厚度的部分36在可变电阻层22中的形成，当将小于电压Vp的电压施加到存储器单元31时，可变电阻层22(例如)自高电阻状态变为低电阻状态，且在一些情况下泄漏电路可流动。
[0066]附带言之，如图SB中所示，也可存在以下情况:离子源层21中银的聚集以与上文所描述述实施例中的离子源层24中银的聚集(参见图5B)相同的方式以连续方式发生在离子源层21的基础侧上，且银的各别聚集体彼此连接。同样在此情况下，对应于银聚集的部分35的可变电阻层22中的部分36的厚度T2相较于银不聚集的情况变得更薄。
[0067]根据上文所描述的实施例，可提供抑制电流泄漏的非易失性电阻随机存取存储器
目.ο
[0068]虽然已描述某些实施例，但此等实施例仅借助于实例来呈现，且并不意在限制本发明的范围。实际上，可以多种其他形式来体现本文所描述的新颖实施例；此外，可在不脱离本发明的精神的情况下进行本文所描述的实施例的各种省略、替换及形式的改变。所附权利要求书及其等效物意在涵盖将在本发明的范围及精神内的此等形式或修改。
【主权项】
1.一种电阻随机存取存储器装置，其特征在于包括: 第一线路，其在第一方向上延伸； 第一离子源层，其经提供于所述第一线路上的第一部分中； 第一可变电阻层，其经提供于所述第一离子源层上； 第二线路，其经提供于所述第一可变电阻层上、面向所述第一部分并且在不同于所述第一方向的一第二方向上延伸； 第二可变电阻层，其经提供于所述第二线路上的第二部分中； 第二离子源层，其经提供于所述第二可变电阻层上；及 第三线路，其经提供于所述第二离子源层上、面向所述第二部分并且在所述第一方向上延伸；且 所述第一离子源层由不同于所述第二离子源层材料的材料形成。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述第一可变电阻层由不同于所述第二可变电阻层材料的材料形成。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述第二离子源层含有银、铜、金、铝、铁、锰、钴、镍或锌；且 所述第二可变电阻层含有氧化硅、硅、氧化铝、氧化铪、氧化铌、氧化锆、氧化钒或氧化钼。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述第一可变电阻层含有氧化铪、硅、氧化铝、氧化铌、氧化锆、氧化钒或氧化钼；且 所述第一离子源层含有钛、钽、氮化钛、氮化钽、氮化钨、氮化锆或钛钨。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述第二可变电阻层具有不同于所述第一可变电阻层厚度的厚度。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述第一可变电阻层具有比所述第二可变电阻层的厚度薄的厚度。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述第二可变电阻层安置为紧靠所述第一可变电阻层上方。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 待施加到所述第一可变电阻层的写入脉冲与待施加到所述第二可变电阻层的写入脉冲形状不同。9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 待施加到所述第一可变电阻层的写入脉冲的施加时间不同于待施加到所述第二可变电阻层的写入脉冲的施加时间。10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 待施加到所述第一可变电阻层的写入脉冲的施加时间长于待施加到所述第二可变电阻层的写入脉冲的施加时间。11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 待施加到所述第一可变电阻层的验证脉冲与待施加到所述第二可变电阻层的验证脉冲形状不同。12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 待施加到所述第一可变电阻层的验证脉冲的施加时间不同于待施加到所述第二可变电阻层的验证脉冲的施加时间。13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 待施加到所述第一可变电阻层的验证脉冲的施加时间长于待施加到所述第二可变电阻层的验证脉冲的施加时间。14.一种电阻随机存取存储器装置，其特征在于包括: 第一线路，其在第一方向上延伸； 第一离子源层，其经提供于所述第一线路上的第一部分中，并且具有第一离子源； 第一可变电阻层，其经提供于所述第一离子源层上； 第二线路，其经提供于所述第一可变电阻层上、面向所述第一部分并且在不同于所述第一方向的第二方向上延伸； 第二可变电阻层，其经提供于所述第二线路上的第二部分中； 第二离子源层，其经提供于所述第二可变电阻层上，并且具有第二离子源及第二障壁金属；及 第三线路，其经提供于所述第二离子源层上、面向所述第二部分并且在所述第一方向上延伸；且 所述第二离子源层具有相较于所述第一离子源层更粗糙的上表面。15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于: 所述第一可变电阻层具有不同于所述第二可变电阻层厚度的厚度。16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于: 所述第一可变电阻层具有比所述第二可变电阻层的厚度薄的厚度。17.根据权利要求14所述的装置，其特征在于: 所述第二可变电阻层安置为紧靠所述第一可变电阻层上方。18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于: 待施加到所述第一可变电阻层的写入脉冲的施加时间长于待施加到所述第二可变电阻层的写入脉冲的施加时间。19.根据权利要求14所述的装置，其特征在于: 待施加到所述第一可变电阻层的写入脉冲的施加时间长于待施加到所述第二可变电阻层的写入脉冲的施加时间，并且所述第一可变电阻层具有比所述第二可变电阻层的厚度薄的厚度。20.根据权利要求14所述的装置，其特征在于: 所述第二离子源比所述第一离子源更加聚集。
【文档编号】H01L27/24GK105938842SQ201510555674
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年9月2日
【发明人】川嶋智仁, 藤井章辅
【申请人】株式会社东芝