開關器件及包括其作為選擇器件的電阻式隨機存取存儲器的製作方法
2023-05-06 18:59:16
本申請要求2015年12月9日提交的申請號為10-2015-0175456的韓國專利申請的優先權，其通過引用整體合併於此。
技術領域
本公開的各種實施例涉及一種半導體存儲器，更具體地，涉及一種開關器件及包括該開關器件作為選擇器件的電阻式隨機存取存儲器。
背景技術：
在存儲器件的單元區中已經採用交叉點存儲陣列結構。更具體地，交叉點存儲陣列結構已經被包括在諸如電阻式隨機存取存儲器(ReRAM)、相變隨機存取存儲器(PCRAM)和磁隨機存取存儲器(MRAM)等的存儲器中作為具有柱體的單元結構，柱體介於設置在不同平面上且彼此交叉的電極之間。
同時，在交叉點存儲陣列結構中，由於相鄰單元之間出現的潛行電流(sneak current)而在單元信息方面可能存在寫入錯誤或讀取錯誤。為了抑制這些錯誤，已經在單元中採用了選擇器件。已經提出了諸如電晶體、二極體、隧道勢壘器件和雙向閾值開關的開關器件來作為選擇器件。
技術實現要素：
根據一個實施例，提供了一種開關器件。該開關器件包括設置在襯底之上的第一電極、開關層和第二電極。該開關層包括第一原子的氧化物或第一原子的氮化物，且第二原子被摻雜至該氧化物或氮化物中。第一原子的化合價與第二原子的化合價彼此不同。
根據一個實施例，提供了一種開關器件。該開關器件包括設置在襯底之上而彼此相向的第一電極和第二電極。該開關器件還包括設置在第一電極與第二電極之間且包括氧化物或氮化物的開關層。該開關層包括由被摻雜至該氧化物或氮化物中的摻雜原子所產生的多個俘獲點。當其絕對值小於預定閾值電壓的絕對值的電壓被施加在第一電極與第二電極之間時，俘獲點俘獲導電載流子。當其絕對值大於預定閾值電壓的絕對值的電壓被施加在第一電極與第二電極之間時，俘獲點形成導電載流子移動的移動路徑。
根據一個實施例，提供了一種電阻式存儲器件。該電阻式存儲器件包括設置在襯底之上的選擇器件和可變電阻器件。該選擇器件包括設置在襯底之上的第一電極、開關層和第二電極。該開關層包括第一原子的氧化物或第一原子的氮化物，且第二原子被摻雜至該氧化物或氮化物中。第一原子的化合價與第二原子的化合價彼此不同。
附圖說明
基於附圖和所附詳細描述，本公開的各種實施例將變得更加明顯，在附圖中：
圖1是示意性地圖示根據一個實施例的開關器件的剖視圖；
圖2A、圖3A、圖4A和圖5A是圖示根據一個實施例的開關器件的操作的示意圖；
圖2B、圖3B、圖4B和圖5B是圖示根據一個實施例的開關器件的電壓-電流特性的圖；以及
圖6是示意性地圖示根據一個實施例的電阻式存儲器件的剖視圖。
具體實施方式
在下文中將參照附圖來描述本公開，在附圖中示出了本發明的實施例。在附圖中，稍微增大了組件的尺寸、寬度和/或厚度以清楚地呈現每個器件的組件。附圖是完全站在觀察者的角度來描述的，如果一個元件被稱作位於另一元件上，則可以理解為該元件直接位於另一元件上，或者額外元件可以介於該元件與另一元件之間。在說明書中相同的附圖標記始終指代相同的元件。
此外，除非在上下文中另外清楚地使用了複數形式，否則單數形式的表述應當被理解為包括複數形式。將理解為術語「包括」或「具有」意在指定存在特徵、數量、步驟、操作、元件、部分或其組合，而非用來排除一個或更多個其他特徵、數量、步驟、操作、組件、部分或其組合的存在或添加可能性。
此說明書中描述的開關器件的閾值開關操作將被理解為：當具有變化的絕對值的外部電壓被施加給開關器件時，開關器件如下所述地順序地實現導通態和關斷態。最初，隨著施加給開關器件的外部電壓的絕對值從初始態開始逐漸增大，在施加的外部電壓變得大於預定第一閾值電壓之後開關器件的工作電流可以非線性地增大。這種現象可以被理解為開關器件導通。在這之後，隨著施加給開關器件的外部電壓的絕對值從開關器件的導通態開始逐漸減小，在施加的外部電壓變得低於預定第二閾值電壓之後開關器件的工作電流可以非線性地減小。這種現象可以被理解為開關器件關斷。
圖1是示意性地圖示根據一個實施例的開關器件10的剖視圖。
參見圖1，開關器件10包括順序地層疊在襯底101上的第一電極110、開關層120和第二電極130。開關器件10可以執行閾值開關操作。開關器件10可以包括氧化物或氮化物，該氧化物或氮化物包括處於不同價態的第一原子和第二原子中的任意原子。
雖然襯底101可以由矽(Si)或砷化鎵(GaAs)形成，但是實施例不局限於此。在另一實施例中，襯底101可以由能夠通過半導體工藝來處理的陶瓷、聚合物或金屬來形成。襯底101可以包括形成在其中的集成電路。
第一電極110和第二電極130中的每個可以包括金屬、導電金屬氮化物和導電金屬氧化物等中的任意一種。第一電極110和第二電極130可以由相同的材料或不同的材料形成。第一電極110和第二電極130中的每個可以包括金(Au)、鉑(Pt)、銅(Cu)、銀(Ag)、釕(Ru)、鈦(Ti)、銥(Ir)、鎢(W)、氮化鈦(TiN)和氮化鉭(TaN)等中的任意一種以及其組合。
開關層120可以設置在第一電極110與第二電極130之間。開關層120可以包括第一原子的氧化物或第一原子的氮化物。第一原子的氧化物或第一原子的氮化物可以具有電絕緣特性。
在一個實施例中，第一原子的氧化物可以包括氧化矽或金屬氧化物。金屬氧化物可以包括氧化鋁、氧化鋯、氧化鉿、氧化鎢、氧化鈦、氧化鎳、氧化銅、氧化錳、氧化鉭、氧化鈮、氧化鐵或其組合。在一些實施例中，氧化矽或金屬氧化物可以具有不滿足化學計量比的組分。氧化矽或金屬氧化物可以具有非晶結構。在一些實施例中，第一原子的氮化物可以包括氮化矽或氮化鋁。第一原子的氮化物可以具有非晶結構。
開關層120的第一原子的氧化物或氮化物可以摻雜有作為摻雜劑的第二原子。第二原子的化合價可以與第一原子的化合價不同。可以將第二原子摻雜至第一原子的氧化物或氮化物中以具有均勻的濃度分布。在一個實施例中，在形成包括第一原子的氧化物或氮化物的薄膜時，可以通過添加第二原子作為源材料來將第二原子摻雜至開關層120的第一原子的氧化物或氮化物中。在另一實施例中，在形成包括第一原子的氧化物或氮化物的薄膜之後，可以提供包含第二原子的源氣體，以及第二原子可以擴散至薄膜中，使得薄膜可以摻雜有第二原子。在又一實施例中，在形成包括第一原子的氧化物或氮化物的薄膜之後，可以通過離子注入方法來將第二原子注入至薄膜中。結果，薄膜可以摻雜有第二原子。
在一個實施例中，第二原子可以用作開關層120中的N型或P型摻雜劑。在一個實施例中，當開關層120包括氧化矽或氮化矽時，第二原子可以包括鋁(Al)、鑭(La)、鈮(Nb)、釩(V)、鉭(Ta)、鎢(W)、鉻(Cr)或鉬(Mo)。這些元素可以單獨使用或組合來使用。更具體地，當開關層120是氧化矽層時，鋁(Al)或鑭(La)可以用作P型摻雜劑。可替代地，當開關層120是氧化矽層時，鈮(Nb)、釩(V)、鉭(Ta)、鎢(W)、鉻(Cr)和鉬(Mo)中的至少一種可以用作N型摻雜劑。
在另一實施例中，當開關層120包括氧化鋁或氮化鋁時，第二原子可以包括鈦(Ti)、銅(Cu)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、釩(V)、鉭(Ta)、鎢(W)、鉻(Cr)或鉬(Mo)。這些元素可以單獨使用或組合來使用。第二原子可以在氧化鋁或氮化鋁中起到N型摻雜劑的作用。
在開關器件10的上述結構中，摻雜至開關層120中的第二原子可以形成俘獲點以俘獲或傳導在第一電極110與第二電極130之間移動的導電載流子。通過俘獲或傳導導電載流子，開關層120可以分別處於高電阻態或低電阻態，而開關器件10可以分別維持關斷態或導通態。
在特定實施例中，當開關器件10維持關斷態時，俘獲點俘獲導電載流子，且通過導電載流子的電流流動可以得到抑制。另一方面，當開關器件10維持導通態時，俘獲點可以起到導電載流子的源的作用，且可以形成導電載流子移動所經由的路徑。當導電載流子經由俘獲點而移動時，開關器件10的導通電流可以非線性地增大。
只要開關層120未被施加的外部電壓擊穿，開關器件10就可以根據施加的外部電壓是否大於預定閾值電壓而處於導通態或關斷態。此外，開關層120可以具有非存儲特性，使得當施加的外部電壓消除時(即，當外部電壓未被施加給開關器件10時)開關層120恢復高阻態。開關器件10可以通過閾值開關操作來用作電子系統中的電開關。
圖2A、圖3A、圖4A和圖5A是圖示根據一個實施例的開關器件10的操作的示意圖。圖2B、圖3B、圖4B和圖5B是示意性地圖示根據一個實施例的開關器件10的電壓-電流特性的圖。
在下文中，將描述包括摻雜有N型摻雜劑的氧化物層作為開關層120的開關器件10的操作。然而，實施例不局限於此。
參見圖2A和圖2B，提供了包括第一電極110、開關層120和第二電極130的層疊結構的開關器件10。第一電極110和第二電極130中的每個可以包括諸如鉑(Pt)或銀(Ag)等的貴金屬，但實施例不局限於此。在另一實施例中，可以採用導電金屬氮化物和導電金屬氧化物中的任意一種作為第一電極110和第二電極130的材料。
參見圖2A，當外部電壓被施加在第一電極110與第二電極130之間時，負偏壓被施加給第一電極110，而正偏壓被施加給第二電極130。通過施加在第一電極110與第二電極130之間的外部電壓，可以使能帶彎曲，使得第一電極110的費米能級(EF110)在第二電極130的費米能級(EF130)之上。此時，電子1可以從第一電極110引入至開關層120中。
當外部電壓低於預定閾值電壓Vth1且被施加給開關器件10時，引入至開關層120中的電子1可以被俘獲在由N型摻雜劑所形成的俘獲點125中。此時，通過外部電壓可以在開關層120中產生電場。然而，由於外部電壓低於閾值電壓Vth1，因此該電場可能未強大到足以使俘獲點125中俘獲的電子1解俘獲並將電子1向第二電極130傳導。
同時，由於俘獲點125中俘獲的電子1具有負電荷，因此每個電子1可以對其周圍的其他電子表現出靜電排斥力。因此，由於靜電排斥力的緣故，將其他電子從第一電極110引入開關層120可以得到抑制，或者開關層120中的其他電子的移動可以得到抑制。結果，僅引入至開關層120中的一些電子1可以沿俘獲點125移動至第二電極130，這可以產生漏電流。
圖2B圖示了：當外部電壓低於預定閾值電壓Vth1且被施加給圖2A的開關器件10時，開關層120中的電子1的傳導得到抑制。因此，圖2A的開關器件10表現出高阻特性，使得較低的電流流經開關層120。這樣，當外部電壓低於預定閾值電壓Vth1且被施加給圖2A的開關器件10時，圖2A的開關器件10可以維持關斷態。
參見圖3A，當外部電壓大於預定閾值電壓Vth1且被施加在第一電極110與第二電極130之間時，相比於圖2A中所示的能帶，通過施加的外部電壓可以使能帶進一步彎曲。此時，通過施加的比閾值電壓Vth1大的外部電壓可以在開關層120中產生電場，且該電場可以強大到足以使被俘獲點125俘獲的電子1解俘獲並將電子1向第二電極130傳導。俘獲點125可以用作提供電子1作為導電載流子的源，且可以形成電子1在施加了外部電壓(比閾值電壓Vth1大)的端子之間的移動路徑。更具體地，電子1可以通過隧穿而從俘獲點125向第二電極130傳導，或者可以通過施加的外部電壓而經由一些俘獲點125來向第二電極130傳導。
圖3B圖示了：當外部電壓大於預定閾值電壓Vth1且被施加給圖3A的開關器件10時，在開關層120中電子1的傳導被激活。因此，圖3A的開關器件10表現出低阻特性，使得較高的電流流經開關層120。當外部電壓大於閾值電壓Vth1且被施加給圖3的開關器件10時，圖3A的開關器件10可以表現出非線性增大的電壓-電流特性。結果，當外部電壓大於預定閾值電壓Vth1且被施加給圖3A的開關器件10時，圖3A的開關器件10可以維持導通態。
同時，如圖3B中所示，如果施加給處於導通態的開關器件10的外部電壓的值減小，則工作電流可以減小。因此，當施加的外部電壓減小至比預定閾值電壓Vth1低的電壓時，開關器件10的工作電流可以非線性地減小。結果，在施加給開關器件10的外部電壓消除之後，如以上關於圖2A和圖2B所述，開關層120可以恢復高阻特性。
參見圖4A和圖4B，當外部電壓被施加在第一電極110與第二電極130之間時，正偏壓可以被施加給第一電極110，而負偏壓可以被施加給第二電極130。即，外部電壓可以沿與圖2A和圖2B中所示的情況相反的方向來施加。在這種情況下，如圖4B中所示，施加的外部電壓的絕對值可以從0V開始增大，且可以沿負方向來施加。
如圖4A中所示，通過施加的外部電壓可以使能帶彎曲，使得第二電極130的費米能級EF130上升至第一電極110的費米能級EF110之上。此時，電子1可以從第二電極130引入至開關層120中。
當施加的外部電壓的絕對值小於預定閾值電壓Vth2的絕對值時，引入至開關層120中的電子1可以被俘獲在由N型摻雜劑形成的俘獲點125中。因此，通過施加的外部電壓(其絕對值比閾值電壓Vth2的絕對值小)可以在開關層120中形成電場。然而，此時，由於該電場可能未強大到足以使俘獲點125中俘獲的電子1解俘獲，因此電子1不向第一電極110傳導。
同時，由於俘獲點125中俘獲的電子1具有負電荷，因此電子1可以對其周圍的其他電子表現出靜電排斥力。相應地，由於靜電排斥力的緣故，將其他電子從第二電極130引入開關層120可以得到抑制，或者開關層120中的其他電子的移動可以得到抑制。
結果，僅引入至開關層120中的一些電子1可以沿俘獲點125向第一電極110移動，這可以產生具有預定水平的漏電流。
圖4B圖示了：當具有比閾值電壓Vth2的絕對值小的絕對值的外部電壓被施加給圖4A的開關器件10時，開關層120中的電子1的傳導得到抑制。因此，圖4A的開關器件表現出高阻特性，使得較低的電流流經開關層120。這樣，當具有比預定閾值電壓Vth2的絕對值小的絕對值的外部電壓被施加給圖4A的開關器件10時，圖4A的開關器件10可以維持關斷態。
參見圖5A，當具有比預定閾值電壓Vth2的絕對值大的絕對值的外部電壓被施加在第一電極110與第二電極130之間時，相比於圖4A中所示的能帶，該能帶可以通過施加的外部電壓而進一步彎曲。此時，通過施加的絕對值比閾值電壓Vth2的絕對值大的外部電壓可以在開關層120中產生電場。該電場可以強大到足以使俘獲點125中俘獲的電子1解俘獲，並將電子1向第一電極110傳導。俘獲點125可以用作提供電子1作為導電載流子的源，以及可以在施加的外部電壓具有比閾值電壓Vth2的絕對值大的絕對值時形成電子1的移動路徑。更具體地，電子1可以通過隧穿來從俘獲點125向第一電極110傳導，或者可以通過施加的外部電壓而經由一些俘獲點125來向第一電極110傳導。
圖5B圖示了：當具有比預定閾值電壓Vth2的絕對值大的絕對值的外部電壓被施加給圖5A的開關器件10時，在圖5A的開關層120中電子1的傳導被激活。因此，圖5A的開關器件10表現出低阻特性，使得較高的電流流經開關層120。當具有比預定閾值電壓Vth2的絕對值大的絕對值的外部電壓被施加給圖5A的開關器件10時，圖5A的開關器件10表現出非線性增大的電壓-電流特性。結果，當具有比預定閾值電壓Vth2的絕對值大的絕對值的外部電壓被施加給圖5A的開關器件10時，圖5A的開關器件10可以維持導通態。
參見圖5B，當施加給開關器件10的電壓的絕對值從開關器件10處於導通態時的絕對值開始減小時，工作電流可以減小。因此，當施加的外部電壓減小至其絕對值比預定閾值電壓Vth2的絕對值小的電壓時，開關器件10可以表現出這樣的特性：開關器件10的工作電流非線性地減小。結果，在施加的外部電壓消除之後，如關於圖4A和圖4B所述，圖5A的開關層120可以恢復高阻特性。
雖然在上述實施例中描述為在絕緣氧化物中摻雜N型摻雜劑，但是在另一實施例中可以在絕緣氧化物中摻雜P型摻雜劑。在這種情況下，在開關層120中，P型摻雜劑可以用作用於電子(即，導電載流子)的複合的俘獲點。即，當其絕對值小於預定閾值電壓的絕對值的電壓被施加給開關器件10時，P型摻雜劑可以與電子複合，並抑制通過電子的傳導。當其絕對值大於預定閾值電壓的絕對值的電壓被施加給開關器件10時，電子的傳導出現。電子可以通過隧穿來在圖5A的第一電極110與圖5A的第二電極130之間傳導，從而在其絕對值比預定閾值電壓的絕對值大的電壓處可以產生較高的導通電流。
此外，與以上描述不同的是，可以採用絕緣氮化物作為圖5A的開關層120。在此實施例中，可以將N型摻雜劑或P型摻雜劑摻雜至絕緣氮化物中。N型摻雜劑或P型摻雜劑可以起到圖5A的開關層120中的電子的俘獲點的作用。
如上所述，在根據本公開的一個實施例的開關器件中，根據施加的外部電壓的絕對值，導電載流子可以被俘獲在開關層中的俘獲點中，或者可以雖然被俘獲但可以在電極之間傳導。當具有比預定閾值電壓的絕對值小的絕對值的電壓被施加給開關器件時，俘獲點可以抑制導電載流子的傳導。當具有比預定閾值電壓的絕對值大的絕對值的電壓被施加給開關器件時，俘獲點可以起到導電載流子的源的作用，且可以形成導電載流子移動所經由的移動路徑。由此，開關器件可以執行閾值開關操作，使得基於預定閾值電壓而可逆地改變工作電流性質。
圖6是示意性地圖示根據一個實施例的電阻式隨機存取存儲器件30(在下文中稱作「電阻式存儲器件」)的剖視圖。在圖6中，與圖1中相同的附圖標記可以指與圖1中相同的元件。
參見圖6，電阻式存儲器件30可以包括形成在襯底101上的選擇器件31和可變電阻器件32。可變電阻器件32可以起到非易失性存儲元件的作用。選擇器件31可以耦接至可變電阻器件32，且可以防止因電阻式存儲器件的多個單元之中出現的漏電流而導致的信息錯誤的產生。
雖然襯底101可以由矽(Si)或砷化鎵(GaAs)形成，但是實施例不局限於此。在另一實施例中，襯底101可以由能夠通過半導體工藝來處理的材料(例如，陶瓷、聚合物或金屬)形成。襯底101可以包括形成在其中的集成電路。
選擇器件31可以採用上述的根據一個實施例的圖1的開關器件10。因此，在此實施例中，選擇器件31包括第一電極110、開關層120和第二電極130。第一電極110和第二電極130中的每個可以包括導電金屬氮化物或導電金屬氧化物等。開關層120可以包括第一原子的氧化物或氮化物。此外，開關層120可以包括第二原子作為摻雜至氧化物或氮化物中的摻雜劑。在此實施例中，第一原子的化合價與第二原子的化合價可以彼此不同。
如上所述，在開關層120中第二原子可以形成導電載流子的俘獲點。當外部電壓被施加在第一電極110與第二電極130之間時，如果施加的外部電壓具有比預定閾值電壓的絕對值小的絕對值，則俘獲點可以用來抑制導電載流子的移動，以及如果施加的外部電壓具有比預定閾值電壓的絕對值大的絕對值，則俘獲點可以用作導電載流子的源，且可以形成導電載流子的移動路徑。由此，選擇器件31可以執行閾值開關操作，使得基於預定閾值電壓而可逆地改變工作電流性質。此外，當施加的外部電壓消除時，因為開關層120恢復高阻態，所以選擇器件31可以表現出非存儲特性。
擴散阻擋物層201可以設置在選擇器件31與可變電阻器件32之間。在一個實施例中，擴散阻擋層201可以設置在選擇器件31的第二電極130上。擴散阻擋層201可以用來抑制選擇器件31與可變電阻器件32之間的材料的擴散。在一些實施例中，當構成選擇器件31和可變電阻器件32的材料的熱穩定性或化學穩定性得到保證時，可以省略擴散阻擋物層201。
可變電阻器件32可以設置在擴散阻擋物層201上。可變電阻器件32可以包括第一存儲器電極210、阻變存儲器層220和第二存儲器電極230。在一個實施例中，阻變存儲器層220可以包括諸如氧化鈦(TiO2-x)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎳(NiOx)、氧化銅(CuxO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化錳(MnO2)、氧化鉿(HfO2)、氧化鎢(WO3)、氧化鉭(Ta2O5-x)、氧化鈮(Nb2O5)或氧化鐵(Fe3O4)等的金屬氧化物。在另一實施例中，阻變存儲器層220可以包括諸如PCMO(Pr0.7Ca0.3MnO3)、LCMO(La1-xCaxMnO3)、BSCFO(Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ)、YBCO(YBa2Cu3O7-x)、(Ba,Sr)TiO3(Cr,Nb摻雜)、SrZrO3(Cr,V摻雜)、(La,Sr)MnO3、Sr1-xLaxTiO3、La1-xSrxFeO3、La1-xSrxCoO3、SrFeO2.7、LaCoO3、RuSr2GdCu2O3或YBa2Cu3O7等的鈣鈦礦材料。在又一個實施例中，阻變存儲器層220可以包括諸如GexSe1-x(Ag,Cu,Te摻雜)的硒化物系列材料或諸如Ag2S、Cu2S、CdS或ZnS等的金屬硫化物。
可變電阻器件32的第一存儲器電極210和第二存儲器電極230中的每個可以包括金屬、氮化物或導電氧化物等。第一存儲器電極210和第二存儲器電極230中的每個可以包括從金(Au)、鉑(Pt)、銅(Cu)、銀(Ag)、釕(Ru)、鈦(Ti)、銥(Ir)、鎢(W)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)及其組合中選擇的一種。
在一些實施例中，可以省略擴散阻擋物層201和第一存儲器電極210，而選擇器件31的第二電極130可以起到可變電阻器件32的第一存儲器電極210的作用。
如上所述，根據一個實施例，電阻式存儲器件可以包括具有電壓-電流特性的選擇器件，使得基於外部電壓是大於還是小於閾值電壓而可逆地改變工作電流性質。此外，當施加給選擇器件的外部電壓消除時，由於其中的開關層恢復高阻態，所以選擇器件可以表現出非存儲特性。
在選擇器件的上述結構中，摻雜至第一原子的氧化物或氮化物中的第二原子可以形成俘獲點以用來俘獲或傳導在選擇器件的第一電極與第二電極之間移動的導電載流子。更具體地，當選擇器件維持關斷態時，即，當具有比閾值電壓的絕對值小的絕對值的電壓被施加給選擇器件時，俘獲點可以通過俘獲導電載流子來有效地抑制選擇器件中的電流流動。另一方面，當選擇器件維持導通態時，即，當具有比閾值電壓的絕對值大的絕對值的電壓被施加給選擇器件時，俘獲點可以起到提供導電載流子的源的作用，且可以形成導電載流子的移動路徑。相應地，通過經由俘獲點而傳導的導電載流子，選擇器件的導通電流可以非線性地增大。
以上已經出於說明的目的而公開了本公開的實施例。本領域技術人員將認識到，在不脫離所附權利要求中所公開的本公開的範圍和精神的情況下，各種修改、添加和替換是可能的。