存储器单元的制作方法

含有堆叠式离子缓冲区及电介质区的存储器单元。

背景技术：

集成存储器可在计算机系统中用于存储数据。集成存储器通常制造为个别存储器单元的一或多个阵列。存储器单元经配置以将存储器保持或存储于至少两个不同可选状态中。在二进制系统中，所述状态被视为“0”或“1”。在其它系统中，至少一些个别存储器单元可经配置以存储两个以上电平或状态的信息。

实例存储器单元是可编程金属化单元(pmc)。此可替代地称为导电桥接随机存取存储器(cbram)、纳米桥存储器或电解质存储器。pmc可使用离子导电切换材料(例如，适当硫族化物或各种适当氧化物中的任一者)及邻近于所述切换材料的离子源材料。离子源材料及切换材料可经提供于一对电极之间。跨所述电极施加的适当电压可使离子从离子源材料迁移到切换材料中由此产生穿过切换材料的一或多个电流传导路径。跨所述电极施加的反向电压本质上使所述过程反转且因此移除电流传导路径。pmc因此包括高电阻状态(对应于不具有延伸穿过切换材料的导电桥的状态)及低电阻状态(对应于具有延伸穿过切换材料的导电桥的状态)，其中此类状态可彼此可逆地互换。

参考图1，说明在对应于高电阻状态(hrs)及低电阻状态(lrs)的两个模式中的现有技术存储器单元200。两个模式通过施加电场ef(+)及ef(-)而彼此可逆地互换，其中ef(+)具有相对于ef(-)的相反极性。

存储器单元包括一对电极212及214。存储器单元还包括电极214上方的电介质区216、电介质区上方的离子缓冲区218及离子缓冲区与电极212之间的离子源区220。

存储器单元200展示为具有连接到外部电路230的电极212且具有连接到外部电路232的电极214。电路230及232可包含耦合到所述电极的感测及/或存取线，且经配置用于在读/写操作期间提供跨存储器单元的适当电场。

在从hrs模式转变到lrs模式时跨区216及218形成导电桥226。虽然仅展示一个导电桥，但是lrs模式中可存在多个导电桥。同样，虽然导电桥226展示为跨越从电极214的顶部表面到离子源区220的底部表面的整个距离，但是导电桥可替代地仅部分延伸此距离。例如，导电桥可为不连续的，且可通过一或多个小间隙断开。在操作中，电荷载子可“跳过”此类间隙以完成电路。虽然导电桥226展示为完全不存在于单元的hrs模式中，但是在一些应用中，导电桥的部分可存在于hrs模式中。

离子源区220贡献最终形成导电桥226的离子。

可在利用图1中描述的类型的存储器单元中遭遇的困难在于在转变到lrs模式时可获得过量离子，使得离子浓度在丝226的形成期间过度积累(此可称为“超量(overset)”问题)。过量离子可最终导致存储器单元的循环故障。

期望开发改进式存储器单元。

附图说明

图1图解地说明在低电阻状态与高电阻状态之间可逆转变的现有技术存储器单元。以横截面侧视图展示存储器单元。

图2图解地说明在低电阻状态与高电阻状态之间可逆转变的实例实施例存储器单元。以横截面侧视图展示存储器单元。

图3图解地说明另一实例实施例存储器单元。以横截面侧视图展示存储器单元。

具体实施方式

一些实施例包含使存储器单元能够针对特定应用定制的改进式存储器单元设计。改进式存储器单元设计还可使上文参考图1讨论的超量问题能够被减轻或甚至被防止。参考图2及3描述实例存储器单元。

参考图2，说明在对应于高电阻状态(hrs)及低电阻状态(lrs)的两个模式中的实例实施例存储器单元10。两个模式通过施加电场ef(+)及ef(-)而彼此可逆地互换，其中ef(+)具有相对于ef(-)的相反极性。

存储器单元10包括一对电极12及14。电极12及14可包括任何适当导电组合物或组合物的组合；且可为彼此相同的组合物或可为相对于彼此不同的组合物。在一些实施例中，电极可包括以下项目中的一或多者、基本上由以下项目中的一或多者组成或由以下项目中的一或多者组成：各种金属(例如，钨、钛等)、含金属组合物(例如，金属氮化物、金属碳化物、金属硅化物等)及导电掺杂的半导体材料(例如，导电掺杂的硅、导电掺杂的锗等)。例如，在一些实施例中，电极14可包括氮化钛、基本上由氮化钛组成或由氮化钛组成；且电极12可包括钨、基本上由钨组成或由钨组成。

存储器单元10展示为具有连接到外部电路30的电极12且具有连接到外部电路32的电极14。电路30及32可包含耦合到所述电极的感测及/或存取线，且经配置用于在读/写操作期间提供跨存储器单元的适当电场。在一些实施例中，所说明存储器单元可为存储器阵列的多个存储器单元中的一者，且电路30及32可为用来唯一寻址所述阵列的存储器单元中的每一者的电路配置的部分。在一些实施例中，“选择装置”(未展示)可邻近于存储器单元10而提供，以在利用存储器阵列中的存储器单元期间减少来往于存储器单元的非期望电流泄漏。实例选择装置包含二极管、晶体管、双向定限开关等。

在一些实施例中，电极12及14可分别称为第一电极及第二电极。

存储器单元10包括邻近于电极12的离子源区20。离子源区20贡献最终形成导电桥26的离子。离子源区可包括任何适当组合物或组合物的组合。在一些实施例中，离子源区可包括铝、铜、银及碲中的一或多者；且可经配置用于贡献用于形成导电桥的铝阳离子、铜阳离子及/或银阳离子。在一些实施例中，离子源区可包括te、n、cu、ag及al中的一或多者。

存储器单元10进一步包括一对切换层级b1及b2，所述层级中的每一者包括与电介质区16(a或b)配对的离子缓冲区18(a或b)。切换层级b1及b2可称为“双区”或“双层”，这是因为其各自包括两个单独区(或层)；其中层级b1包括区16a及18a，且其中层级b2包括区16b及18b。

层级b1及b2形成堆叠42。在一些实施例中，堆叠内的电介质区16a及16b可分别称为第一电介质区及第二电介质区；且类似地，堆叠内的离子缓冲区18a及18b可分别称为第一离子缓冲区及第二离子缓冲区。

电介质区16a及16b可替代地称为穿隧区，且离子缓冲区18a及18b可替代地称为电解质区。

电介质区16a及16b可包括任何组合物或组合物的组合，且在一些实施例中可包括下列项目中的一或多者：siox、zrox、tiox、taox、hfox、alox、wox、snox、nbox、hfsiyox、zrtiyox、zrxwoy、altixoy、voy、mooy、nioy、yox、reox、mnox、feox、sialox及sitiox；其中x及y是大于0的数。例如，在一些实施例中，电介质区中的一者或两者可包括alox。电介质区16a及16b可具有任何适当厚度；且在一些实施例中可具有在从约到约的范围内的厚度。在一些实施例中，电介质区16a及16b可视为包括下列项目中的一或多者：sio、zro、tio、tao、hfo、alo、wo、sno、nbo、hfsio、zrtio、zrwo、altio、vo、moo、nio、yo、reo、mno、feo、sialo及sitio；其中化学式列出主要成分而非指定特定理想配比。

离子缓冲区18a及18b可包括任何适当组合物或组合物的组合，且在一些实施例中可包括下列项目中的一或多者：cu、zr、al、te、o、ge、se、sb、c、si及s。例如，在一些实施例中，离子缓冲区中的一者或两者可包括cuzralteo，其中化学式列出主要成分而非指定特定理想配比。离子缓冲区18a及18b可具有任何适当厚度；且在一些实施例中可具有在从约到约的范围内的厚度。

层级b1与b2在离子缓冲区的厚度及组合物中的一者或两者上彼此不同(即，区18a的厚度及/或组合物相对于区18b不同)或在电介质区的厚度及组合物中的一者或两者上彼此不同(即，区16a的厚度及/或组合物相对于区16b不同)。

在特定配置中，电介质区16a及16b两者均包括氧化铝，其中电介质区16b比电介质区16a薄。例如，电介质区16b可具有在从约到约的范围内的厚度，且电介质区16a可具有至少约的厚度。因此，在一些实施例中，电介质区16a可至少是电介质区16b的约两倍厚。另外，离子缓冲区18a及18b可两者均包括含铜、锆、铝、碲及氧的组合物；但是与第一离子缓冲区18a中的碲浓度相比较，碲浓度在第二离子缓冲区18b中可能较高，而与第一离子缓冲区18a中的铝浓度相比较，铝浓度在第二离子缓冲区18b中较低。此外，与第一离子缓冲区18a相比较，第二离子缓冲区18b可能较薄。例如，第二离子缓冲区18b可具有从约到约的范围内的厚度，而第一离子缓冲区18a具有从约到约的范围内的厚度。此特定配置的优势可在于上部切换区b1的相对厚的区16a及18a可过滤过量导电离子，使得在存储器单元的操作期间防止下部切换区b2暴露于过量导电离子。此可防止上文讨论的超量问题。此还可使区16b及18b保持为薄的，这可改进存储器单元的可切换性；且两个切换区b1及b2的组合可实现适当数据保持。

在所说明实施例中，在从hrs模式转变到lrs模式时，跨切换区b1及b2形成导电桥26。所展示的导电桥具有切换区b1内的第一部分26a及切换区b2内的第二部分26b。此是导电桥的一种可能配置的图解表示，且可出现其它配置。同样，虽然仅展示一个导电桥，但是在一些实施例中，lrs模式中可存在多个导电桥。同样，虽然导电桥26展示为跨越从电极14的顶部表面到离子源区20的底部表面的整个距离，但是导电桥可替代地仅部分延伸此距离。例如，导电桥可为不连续的，且可通过一或多个小间隙断开。在操作中，电荷载子可“跳过”此类间隙以完成电路。虽然导电桥26展示为完全不存在于单元的hrs模式中，但是在一些应用中，导电桥的部分可存在于hrs模式中。

存储器单元的设计及制造期间的目标是平衡存储器单元的耐用特性及保持特性。具体来说，存储器单元可经设计以在相应的lrs及hrs模式中具有高稳定性，且此类存储器单元将具有良好的保持特性(即，将稳定保持存储器位)。然而，lrs与hrs模式之间的可切换性可随着相应的lrs及hrs模式的稳定性增加而变得更加困难，且因此，可能需要更高的电场来在相应的lrs及hrs模式的稳定性增加的情况下切换存储器单元。存储器单元暴露于相对高电场可比暴露于相对低电场更快地使存储器单元降级，这降低了存储器单元的耐用特性。本文描述的实施例可使存储器单元能够针对特定应用定制以实现耐用特性相对于保持特性的预期平衡。本文描述的实施例还可使存储器单元的其它特性能够针对特定应用定制。

图3展示类似于图2的存储器单元10的实例实施例存储器单元10a，但是包括除层级b1及b2外的额外切换层级。可利用任何适当数量的切换层级来针对特定应用定制存储器单元。切换层级中的至少一者可具有在组合物或厚度中的一者或两者上相对于另一层级的电介质区16不同的电介质区16；及/或切换层级中的至少一者可具有在组合物或厚度中的一者或两者上相对于另一层级的离子缓冲区18不同的离子缓冲区18。

虽然存储器单元描述为两状态装置(例如，图2的装置的两个存储器状态对应于所说明的lrs模式及hrs模式)，但是在一些实施例中，多个切换层级的利用可实现适用于用作多状态装置(即，适于具有超过两个存储器状态，此是归因于装置具有超过两个可选择或可互换模式)的存储器单元的制造。

上文描述的存储器单元可通过下层衬底(未展示)支撑。所述衬底可包括半导体材料(例如，可包括单晶硅、基本上由单晶硅组成或由单晶硅组成)且可称为半导体衬底。术语“半导体衬底”表示包括半导体材料的任何构造，包含但不限于块状半导体材料(例如半导体晶片(单独或在包括其它材料的组合件中))及半导体材料层(单独或在包括其它材料的组合件中)。术语“衬底”是指任何支撑结构，包含但不限于上文描述的半导体衬底。

本文描述的存储器单元可并入电子系统中。此类电子系统可用于(例如)存储器模块、装置驱动器、电力模块、通信调制解调器、处理器模块及专用模块中且可包含多层、多芯片模块。电子系统可为广范围的系统中的任一者，例如，例如照相机、无线装置、显示器、芯片集、机顶盒、游戏、照明、车辆、时钟、电视、蜂窝电话、个人计算机、汽车、工业控制系统、飞机等。

除非另有指定，否则本文描述的各种材料、物质、组合物等等可使用现已知或将开发的任何适当方法形成，包含(例如)原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)等等。

图式中的各种实施例的特定定向仅出于说明目的，且所述实施例在一些应用中可相对于所展示的定向旋转。本文提供的描述及下文的权利要求书是关于在各种特征之间具有所描述的关系的任何结构，而不管所述结构处于图式的特定定向或相对于此定向旋转。

附图的横截面视图仅展示横截面的平面内的特征，且不展示横截面的平面后方的材料以便简化图式。

当结构在上文被称为“在”另一结构“上”或“抵靠”另一结构时，其可直接在其它结构上或还可存在中介结构。相比之下，当结构被称为“直接在”另一结构“上”或“直接抵靠”另一结构时，不存在中介结构。当结构被称为“连接”或“耦合”到另一结构时，其可直接连接或耦合到另一结构，或可存在中介结构。相比之下，当结构被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一结构时，不存在中介结构。

一些实施例包含存储器单元，其包括一对电极及所述电极之间的多个切换层级。每一切换层级包括离子缓冲区及电介质区。至少一个切换层级在离子缓冲区及/或电介质区的厚度及组合物中的一者或两者上与另一切换层级不同。

一些实施例包含存储器单元，其包括与第一电极隔开的第二电极、靠近第一电极的离子源区及在离子源区与第二电极之间的交替离子缓冲区及电介质区的堆叠。所述堆叠包括对应于与邻近电介质区配对的离子缓冲区的切换层级。至少一个离子缓冲区在组合物及厚度中的一者或两者上与至少一个其它离子缓冲区不同。

一些实施例包含存储器单元，其包括与第一电极隔开的第二电极、靠近第一电极的离子源区及在离子源区与第二电极之间的交替离子缓冲区及电介质区的堆叠。所述堆叠包括对应于与邻近电介质区配对的离子缓冲区的切换层级。至少一个电介质区在组合物及厚度中的一者或两者上与至少一个其它电介质区不同。