具有改良的數據保持與降低的功率的電阻式存儲裝置的製作方法
2023-06-30 04:38:21
專利名稱：具有改良的數據保持與降低的功率的電阻式存儲裝置的製作方法
技術領域：
本發明大致是有關於存儲裝置，且詳而言之是關於電阻式存儲裝 置操作與電阻式存儲器結構。
背景技術：
計算機與電子裝置的容量、功能與複雜度正持續的增加中。計算 機一致地變得更強大，新穎且改良的電子裝置也持續的發展(像是數字 聲頻播放器、視頻播放器)。此外，數字媒體(像是數字聲頻、視頻、影 像、與相似者)的成長與使用已更進一步地推動這些裝置的發展。這樣 的成長與發展大大地增加計算機與電子裝置希望/需要儲存與維持的信 息量。
一般而言，信息儲存與維持在一個或多個的一些類型的儲存裝置
中。儲存裝置包括長期(longterm)儲存媒體，像是如硬碟機、光碟機對應 的媒體、數字視頻光碟((digital video disk,簡稱DVD)機、與相似者。 典型上，長期儲存媒體利用較少的花費而儲存較大的信息量，但速度 上會比其它類型的儲存裝置慢。儲存裝置也包括存儲裝置，存儲裝置 通常(但不是總是)是短期儲存媒體。大體上，存儲裝置傾向快於長期儲 存裝置。這樣的存儲裝置包括例如動態隨機存取存儲器(dynamic random access memory,簡稱DRAM)、靜態隨機存取存儲器(static random access memory,簡稱SRAM)、雙倍數據速率存儲器(double data rate memory,簡稱DDR)、快閃記憶體、只讀存儲器(read only memory,簡禾爾 ROM)、與相似者。存儲裝置再分成易失性與非易失性的類型。易失性 存儲裝置假如失去了電力，則通常會失去其信息，且典型地需要周期 性的更新周期以維持其信息。易失性存儲裝置包括例如，隨機存取存 儲器(random access memory,簡稱RAM)、 DRAM、 SRAM、與相似者。 非易失性存儲裝置無論是否對其維持電力皆維持其信息。非易失性存 儲裝置包括(但不限於)ROM、可編程只讀存儲器(programmable read
only memory,簡稱PROM)、可擦除可編程只讀存儲器(erasable programmable read only memory ， 簡禾爾EPROM)、 快閃記憶體(flash memory)、
與相似者。與非易失性存儲器比較，易失性存儲裝置通常利用較少的 花費而提供較快的操作。
存儲裝置通常包括存儲單元(memory cdl)的數組。每一個存儲單元 可以被存取或"讀取(read)"、"寫入(written)"."擦除(erased)"信息。存儲 單元維持信息在"關(off)"或"開(on)"的狀態，也可以稱為"0"與"1"。典 型上，將存儲裝置尋址(address)以擷取(retrieve)特定數目的字節(如每字 節8個存儲單元)。對於易失性存儲裝置，存儲單元必須周期性地被" 更新"以維持其狀態。這樣的存儲裝置通常是由執行這些各種功能且能 夠切換與維持這兩個狀態的半導體裝置所製造出來的。通常利用無機 固態技術(inorganic solid state technology)製造這些裝置，像是結晶矽 (crystalline silicon)裝置。採用於存儲裝置的一種常見半導體裝置是金屬 氧化半導體場效應電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor,簡稱MOSFET)。
可攜式計算機與電子裝置的使用已大大地增加對非易失性存儲裝 置的需求。數字相機、數字聲頻播放器、個人數字助理、與相似者通 常試圖採用大容量的非易失性存儲裝置(如快閃記憶體、SM記憶卡(smart media,簡稱SM)、 CF記憶卡(compact flash,簡稱CF)、與相似者)。
因為對信息儲存量的需求增加，存儲裝置開發者與製造商不斷地 企圖增加存儲裝置的儲存容量(像在每個晶粒或晶片增加儲存量)。一片 郵票大小的矽可包括數千萬個電晶體，每個電晶體如約幾百納米 (nanometers)般的小。然而，以矽為基礎的裝置正要達到其基本物理尺 寸的極限。無機固態裝置通常受複雜的架構所累，其導致高成本與數 據儲存密度的損失。為了維持所儲存的信息，必須不斷地提供電流給 基於無機半導體材料的易失性半導體存儲器，而導致熱和高電性功率 消耗。非易失性半導體裝置具有降低的數據速率(data mte)、相對高的
功率消耗與相當大程度的複雜度。典型上，對於此種存儲單元的製造 程序也是不可信賴的。
因此，存在一種需求以克服前面提及的缺點。
圖1說明一種類型的存儲裝置30，其包括用於達到這些需求的有
利特性。存儲裝置30包括電極32(例如銅)、在電極32上的硫化銅(copper sulfide)層34、在硫化銅層34上的有源層36(例如氧化銅(copper oxide) 層)、以及在有源層36上的電極38(例如鈦)。最初，假設存儲裝置30 是未被編程的，為了要編程存儲裝置30，將電極38接地，而施加正電 壓至電極32，使得電位Vpg("編程"電位)系以存儲裝置30的順向方向 (forward direction)從較高電位到較低電位施加橫跨存儲裝置30(參考圖 2,存儲裝置電流對施加橫跨存儲裝置30之電位的圖)。此電位足夠造 成銅離子從層34被吸引朝著電極38且進入有源層36(A)以致形成導電 細絲(filament)，造成有源層36(與整個存儲裝置30)成為在(順向)低電阻 或導電的狀態。在移除此電位(B)後，在編程步驟期間被吸引至有源層 36之離子仍然留在其中，使得有源層36(與存儲裝置30)仍然保持在導 電或低電阻的狀態。
在存儲裝置30於其被編程(導電)的狀態之讀取歩驟中，電位V乂"讀 取"電位)系以存儲裝置30的順向方向從較高電位到較低電位施加橫跨 存儲裝置30。此電位小於施加橫跨存儲裝置30之用來編程的電位 Vpg(參考上述說明)。在這樣的情況下，存儲裝置30將容易地傳導電流 (Ll)，表示存儲裝置30是在其被編程的狀態。
為了擦除存儲裝置，施加正電壓至電極38，而將電極32維持接地， 使得電位VJ"擦除"電位)系以存儲裝置30的反向(reverse)方向從較高 電位到較低電位施加橫跨存儲裝置30。此電位足夠造成銅離子從有源 層36被排斥而朝著電極32且進入層34(C)，造成有源層36(與整個存 儲裝置30)成為在高電阻或實質非導電的狀態。從存儲裝置30移除此 電位後，此狀態仍然存在。
在存儲裝置30於其被擦除(實質非導電)的狀態之讀取步驟中，電 位Vr系以存儲裝置30的順向方向從較高電位到較低電位施加橫跨存 儲裝置30，如之前所描述者。由於有源層34(與存儲裝置30)處在高電 阻或實質非導電的狀態，存儲裝置30將不會傳導顯著的電流(L2)，表 示存儲裝置30是在其被擦除的狀態。
應了解，很希望存儲裝置在被編程時能夠保持其被編程的狀態於 一段長的時間(也就是直到希望該狀態被改成其被擦除的狀態為止)。同 樣地，很希望存儲裝置在被擦除時能夠保持該狀態於一段長的時間，
如所選擇者。儘管上述裝置在操作上是有效的，已發現在一段時間後， 形成在被編程的裝置中之導電細絲可能斷裂，造成存儲裝置的導電性 顯著的減少，使得存儲裝置非所希望地失去其被編程的狀態。應了解， 很希望該裝置能夠如所希望的穩定地保持其被編程與被擦除的狀態。 此外，上述的編程與擦除操作需要相對高的電流，從而造成相對高的 能量消耗。亦應了解，希望減少編程與擦除的電流從而降低功率消耗。
亦應了解，希望改良裝置的切換速度(switching speed)。
發明內容
概括的來說，本發明方法是用於改變存儲裝置的狀態，該存儲裝 置具有第一電極、在該第一電極上且與該第一電極接觸的無源層、在 該無源層上且與該無源層接觸的有源層、以及在該有源層上且與該有 源層接觸的第二電極。編程該裝置至低電阻的狀態包含移動電荷載流 子至該有源層中以增加其導電性，而擦除該裝置至高電阻的狀態包含 從該有源層移動電荷載流子以減少其導電性。
考慮下列描述的細節並結合伴隨的圖式將可以更清楚的了解本發 明。僅經由最佳模式(best mode)的說明而顯示並描述本發明的實施例以 實施本發明，對於那些熟知本技術領域的人來說，從下列的描述將會 是容易而明白的。應了解，在沒有脫離本發明的範圍下，本發明能夠 有其它的實施例而其許多細節是能夠有修改與各種明顯的態樣。因此， 圖式與詳細的描述將會視為自然而非限制的說明。
在附加的權利要求書提出本發明特性的新穎特徵。然而，藉由參 考下列說明實施例的詳細描述與閱讀結合伴隨的圖式將會更加了解本
發明本身與該使用的較佳實施態樣、進一步的目標與其優點，其中 圖l系上述存儲裝置的截面圖2系顯示圖1之存儲裝置之操作特性的電流對電壓的圖； 圖3系本發明存儲裝置的第一實施例的截面圖； 圖4係為集成電路的部分的第3圖之存儲裝置的截面圖； 圖5至8系顯示依照本發明方法編程與擦除3圖3之存儲裝置；
圖9系顯示依照圖5至8的本發明方法之圖3之存儲裝置之操作
特性的電流對電壓的圖IO系顯示圖3之裝置在編程與讀取狀態下的電流與電壓的圖； 圖11系顯示當實施本發明方法時，圖3之裝置之數據保持的以及
圖12至15系顯示依照本發明方法編程與擦除第二實施例的存儲裝置。
具體實施例方式
現在開始參考本發明的特定實施例的細節，其中說明由發明者深 思熟慮用來實施本發明所呈現的最佳實施態樣。
參考文件，標題為"The role of space-charge-limited- current conduction in evaluation of the electrical properties of thin Cu20 films"， A.E. Rakhshani， J.Apl.Phys.69(4)， 1991年2月15日，第2365-2369頁，
於此併入作為本文的參考。
圖3說明用於本發明中的存儲裝置130的第一實施例。最初，形 成銅電極132。其表面是使用硫化氫(H2S)、元素硫(S)或水狀的硫酸銨 (aqueous Ammonium Sulfate)而硫化(sulfidized)以開多成厚度20至100埃 (angstroms)之Cu2S無源層134，該無源層134位於電極132上並與該 電極132接觸。將無源層134的表面氧化以形成厚度30至200埃之氧 化銅有源層136，該有源層136位於無源層134上並與該無源層134 接觸。此工藝在有源層136形成深電荷載流子陷阱(trap)。鈦電極138 藉由如DC或RF濺鍍(sputtering)或藉由蒸發而形成在有源層136上並 與該有源層136接觸。圖3說明所製造的存儲裝置130，其中層134、 136形成在電極132、 138之間。
圖4說明存儲裝置130為較大電子結構150的部分。該結構150 包括具有在其中形成電晶體140的源極與漏極的半導體襯底152。設於 襯底152上的是電介質層154，該電介質層154依次在其上具有氮化物 層160。銅栓(copperplug)164、 166延伸通過電介質層與氮化物層154、 160並接觸電晶體140的源極與漏極。
在此結構上的是另一電介質層162。銅栓164、 166延伸通過電介
質層162並分別接觸銅栓156、 158。在所得到的結構上設有氮化物層 168，並在氮化物層168上設有電介質層170。銅栓172延伸通過氮化 物層與電介質層168、 170並接觸銅栓166。於堆棧配置中之電極132、 無源層134與有源層136延伸通過氮化物層與電介質層168、 170，電 極132接觸銅栓164。在有源層136上形成電極138，因而形成整個存 儲裝置130。形成電極174而與銅栓172接觸。
將發現，存儲裝置130與電晶體140串聯連接。在圖5至8中說 明此配置並也說明本發明方法。
在編程存儲裝置130時(圖5和6)，施加正電壓Vpgl至電極138， 而電晶體140的源極接地，使得電位系在從電極138至電極132的方 向(以及在從有源層136至無源層134的方向)從較高電位到較低電位施 加橫跨電極138、 132。將施加至電晶體140之柵極的電壓V^設定至 一位準(levd)以便於在編程操作期間限制電流通過裝置130。編程操作 造成電荷載流子(也就是電子與/或電洞)移動進入有源層136且被有源 層136中己存在的陷阱持住。電荷載流子可能是電子、電洞、或電子 與電洞的組合。這些電荷載流子的移動造成有源層136(與整個存儲裝 置130)採取(adopt)並處於低電阻或導電的狀態(也就是被編程的狀態:)。 在移除此電位後，在編程步驟期間被吸引至有源層136的電荷載流子 仍然留在其中並被深陷阱持住，以便繼續存在於有源層136中，使得 有源層136(與存儲裝置130)仍然處於導電或低電阻的狀態。
在擦除存儲裝置130(圖7和8)時，電極138接地，而施加正電壓 V^至電晶體140的源極，使得電位系在從電極132至電極138的方向 (以及在從無源層134至有源層136的方向)從較高電位到較低電位施加 橫跨電極138、 132。將電晶體140之柵極的電壓Vg2設定至一位準以 便於在擦除操作期間限制電流通過裝置130。此操作造成電荷載流子從 有源層136移動。這些電荷載流子的移動造成有源層136(與整個存儲 裝置130)成為在高電阻或被擦除的狀態。在移除此電位後，此被擦除 的狀態會被維持著，使得有源層136(與存儲裝置130)仍然處於被擦除 或高電阻的狀態。
圖9說明當實施本發明方法時，存儲裝置130之有利的操作特性， 相較於先前技術離子切換，本發明採取電子切換(電子與/或電洞的移動)
的形式。已發現依照上面的描述(圖9說明編程電壓Vpgl=2.7伏特 (volts),與如上述的提供接地)，藉由施加小於4伏特之Vpgp裝置130 可以有效地被編程(從高電阻的狀態改變為低電阻的狀態)。從被擦除到 被編程的狀態的切換是很快速的(見圖10)，而柵極設定在如2.0伏特的 電流限制電晶體140，在編程操作時限制電流在一非常低的位準(說明 在圖9，約45^ia)。同樣地，已發現依照上面的描述(圖9說明擦除電壓
Ve嚴1.2伏特)，藉由施加大約為1.2伏特的Ver，裝置130可以有效地被
擦除(從低電阻的狀態改變為高電阻的狀態)。再者，從被編程到被擦除 的狀態的切換是很快速的。使電流限制電晶體140柵極電壓設定在如 4.0伏特，並因為該非常低的擦除電壓，所以在擦除操作時的電流是非 常低的。因此，實現快速的切換與低功率使用。
如圖9所示，該裝置(被編程與被擦除兩者)展現出非線性電流特性 (見曲線A與B)。此非線性特性起因於在裝置130內的受限制的空間電 荷電流的傳導(space-charge-limited-current conduction)。
亦已發現本發明方法利用如上述的電子切換，當與離子切換方法 比較時，提供大大地改良的數據保持。圖ll說明對於被編程的裝置以 施加0.4伏特而被讀取時的數據保持時間。如圖所示，通過裝置130 之讀取電流在經過很長的一段時間只稍微地下降。這清楚地指出被編 程的裝置130保留其導電的(也就是被編程的)狀態於一段很長的時間。
裝置130已展示在高溫(例如，高達15(TC)之強的穩定性。
圖12至15說明本發明的第二個實施例。存儲裝置230包括銅電 極232、位於銅電極232上並與該銅電極232接觸之氧化銅有源層234 (藉由銅電極的氧化作用而形成)、以及位於有源層234上並與該有源層 234接觸之鈦電極236，使得有源層234位在電極232、 236間。如上 述，裝置230設置為與電流限制電晶體240串聯。相似於前面的實施 例，在編程存儲裝置230時，施加正電壓Vpg2至電極236，而使電極 232接地，使得電位系以從電極236至電極232的方向從較高電位到較 低電位施加橫跨裝置230。這造成以電子與/或電洞的形式之電荷載流 子進入有源層234以及被在有源層234中已存在的陷阱持住，相似於 之前的實施例，以提供整個存儲裝置230採取並處於導電的、低電阻(被 編程)的狀態。使電位反向(也就是施加正電壓Ve。至電極236，而使電
極232接地)，使得電位系以從電極232至電極236的方向從較高電位 到較低電位施加橫跨裝置230，造成電荷載流子離開有源層234，使得 整個存儲裝置230採取並處於高電阻(被擦除)的狀態。相似於之前的實 施例，從一個狀態到另一個狀態的切換是非常快速的，而分別使用選 擇的柵極電壓Vg3、 Vg4的電晶體作用為限制電流通過裝置230以確保 低功率操作。
在這兩個實施例中，形成有源層本身的工藝造成在有源層中形成 陷阱。有源層是未摻雜的(undoped)，在某種意義上來說是以未摻雜的 意圖而形成有源層，且摻雜物的導入在實施本發明中是不需要的。
可知，在此提供一種方法，其中存儲裝置可以以很快速的方式用 很低的功率，從一個狀態切換到另一個狀態。使用此方法，存儲裝置 可以在很長的一段時間，以穩定的方式維持其選擇的狀態。
為了說明與描述的目的己呈現本發明實施例之前述的描述。惟並 不想要詳盡的或是限制本發明於所揭露之精確的形式。按照上述的教 示，其它修改或變化是可能發生的。
選擇與描述實施例以提供本發明的原理與其實際應用之最好的說 明，從而能讓熟知本技術領域的人利用本發明在不同的實施例與不同 的修改而當作合適於特殊使用的考慮。當附加的權利要求書系依照其 所公平地、合法地、公正地賦予權利的廣度所解釋時，如附加的權利 要求書所決定者，所有此種修改與變化均屬本發明之範疇。
權利要求
1、一種改變存儲裝置(130或230)的狀態的方法，該存儲裝置包括第一與第二電極(132、138或232、236)以及在該第一與第二電極(132、138或232、236)間的未摻雜的有源層(136或234)，該方法包括移動電荷載流子至該有源層(136或234)中。
2、 如權利要求1所述的方法，還包括當改變該存儲裝置(130或230) 的狀態時，限制電流通過該存儲裝置(130或230)的步驟。
3、 如權利要求l所述的方法，其中該電荷載流子被移動至該有源 層(136或234)內的陷阱中。
4、 如權利要求l所述的方法，其中該存儲裝置(130或230)從較高 電阻狀態改變至較低電阻狀態。
5、 一種改變存儲裝置(130或230)的狀態的方法，該存儲裝置包括 第一與第二電極(132、 138或232、 236)以及在該第一與第二電極(132、 138或232、 236)間的未摻雜的有源層(136或234)，該方法包括從該有 源層(136或234)移動電荷載流子。
6、 如權利要求5所述的方法，還包括當改變該存儲裝置(130或230) 的狀態時，限制電流通過該存儲裝置(130或230)的歩驟。
7、 如權利要求5所述的方法，其中該電荷載流子從該有源層(136 或234)內的陷阱中被移動出來。
8、 如權利要求5所述的方法，其中該存儲裝置(130或230)從較低 電阻狀態改變至較高電阻狀態。
9、 一種改變存儲裝置(130)的狀態的方法，使該存儲裝置(130)的狀 態從較高電阻狀態改變至較低電阻狀態，該存儲裝置(130)包括第一電 極(132)、第二電極(138)、在該第一與第二電極(132、 138)間的無源層 (134)、以及在該第一與第二電極(132、 138)間的有源層(136)，該方法 包括移動電荷載流子至該有源層(136)中。
10、 如權利要求9所述的方法，其中該電荷載流子移動至在該有 源層(136)內的陷阱中。
11、 如權利要求9所述的方法，還包括當改變該存儲裝置(130)的 狀態時，限制電流通過該存儲裝置(130)的步驟。
12、 一種改變存儲裝置(130)的狀態的方法，使該存儲裝置(130)的 狀態從較低電阻狀態改變至較高電阻狀態，該存儲裝置(130)包括第一 電極(132)、第二電極(138)、在該第一與第二電極(132、 138)間的無源 層(134)、以及在該第一與第二電極(132、 138)間的有源層(136)，該方 法包括從該有源層(136)移動電荷載流子。
13、 如權利要求12所述的方法，其中該電荷載流子從該有源層(136) 內的陷阱移動出來。
14、 如權利要求12所述的方法，還包括當改變該存儲裝置(130) 的狀態時，限制電流通過該存儲裝置(130)的歩驟。
全文摘要
本發明揭露一種編程電阻式存儲裝置(130、230)的方法，該電阻式存儲裝置(130、230)包括第一電極(132、232)、第二電極(138、236)、以及在第一與第二電極(132、138或232、236)間的有源層(activelayer)(136、234)。在該編程方法中，施加橫跨第一與第二電極(132、138或232、236)的電位，使得電荷載流子進入有源層(136、234)並被在其中的陷阱持住。在擦除存儲裝置(130、230)時，施加橫跨第一與第二電極(132、138或232、236)的電位，使得電荷載流子從有源層(136、234)移動出來。
文檔編號G11C13/02GK101171643SQ200680015957
公開日2008年4月30日 申請日期2006年4月26日 優先權日2005年5月11日
發明者A·陳, S·哈達德, T-N·方 申請人:斯班遜有限公司