具有微分負電阻硫屬化合物裝置的靜態隨機存取存儲器單元及其形成方法

2023-05-25 13:44:46

專利名稱：具有微分負電阻硫屬化合物裝置的靜態隨機存取存儲器單元及其形成方法
技術領域：
本發明涉及存儲器電路，更特定而言，涉及使用微分負電阻(DNR)裝置改進的靜 態隨機存取存儲器單元。
背景技術：
存在多種可在電子系統中加以使用的不同存儲器裝置。選擇用於特定應用的存儲 器裝置類型主要取決於存儲器的哪些特點最適於實施所述特定功能。舉例來說，動態 隨機存取存儲器(DRAM)和靜態隨機存取存儲器(SRAM)用於臨時存儲微處理器或其 它控制裝置"頻繁"使用的程序信息和數據。
隨機存儲存儲器往往比只讀存儲器能提供更大的存儲能力及編程選項和循環，但 必須對其連續供電以保持其內容。多數動態隨機存取存儲器以存儲器單元陣列中所包 含的充電和放電電容器的形式來存儲數據。然而，此類存儲器單元為易失性，這是因 為存儲的電荷由於電荷將自己分布成低能量狀態的自然趨勢而在相對短的時間周期後 耗散。出於此原因，多數動態隨機存取存儲器必須周期性地刷新，也就是說，必須將 存儲的值重寫到所述單元，例如，每隔100毫秒，以將存儲的數據保持在存儲器單元 中。甚至不需要刷新的SRAM也只能在向存儲器裝置供電時保持所存儲的數據。當對 存儲器裝置的供電被切斷時，便會丟失數據。
人們一直努力創造一種在商業上可行的可編程、隨機存儲和非易失性的存儲器裝 置。為此，當前正在開發此類非易失性隨機存取存儲器裝置的各種實施方案，其通過 響應於分別施加到存儲器單元的預定電壓而以結構方式、化學方式或磁性方式改變存 儲器單元的電阻來將數據存儲在多個存儲器單元中。此類可變電阻存儲器裝置的實例 包含基於聚合物、鈣鈦礦、摻雜的非晶矽、磁性裝置和硫屬化合物玻璃的存儲器裝置。
在許多可變電阻存儲器單元中，可通過將具有預定電平的電壓施加到所述存儲器 單元，以相對於所述存儲器單元在施加電壓之前的狀態改變穿過存儲器單元的電阻， 將第一值寫入到所述存儲器單元。可通過將第二反向極性電壓施加到存儲器單元以借 此將穿過存儲器單元的電阻改變回到原始水平而將第二值或默認值寫入到或存儲在存 儲器單元中。第二電壓可或可不具有與第一電壓相同的量值。每一電阻狀態是穩定的， 使得存儲器單元能夠保持其所存儲的值而不被頻繁地刷新。
還可適當地調節採用硫屬化合物材料作為電阻切換主幹的存儲器單元結構，而表現出微分負電阻(DNR)性質。DNR硫屬化合物裝置具有大於用作存儲器單元的硫屬化 合物裝置的峰谷比以及其它使其表現出微分負電阻的性質。因此，DNR硫屬化合物裝 置具有更大的穩定性，且因此比常規裝置消耗功率更少而切換速度更快。DNR硫屬化 合物裝置的性質和製作DNR硫屬化合物裝置的方法更詳細地闡述於Campbell在2003 年4月10日提出申請的第10/410,567號美國專利申請案(公開號US 2004/0202016)和 Campbell在2002年7月10日申請的第10/193,529號美國專利申請案(公開號U.S. 2004/0007749)中，所述專利申請案的全文以引用的方式併入本文中。
RAM單元的密度隨著每一代新的設計而急劇增大且一直用作集成電路製造中超 大規模集成的主要技術驅動力之一。通常，SRAM裝置由至少四個電晶體組成。例如， 圖la圖解說明基本的具有NMOS負載裝置的六電晶體單元，且圖lb圖解說明具有電 阻器負載上拉裝置的四電晶體單元。對於四或六電晶體單元來說，SRAM單元的密度 受到限制。
圖2中所示的一種嘗試是減少電路組件且因此減小SRAM的大小。 一對Esaki 二 極管或諧振穿隧二極體串聯連接，然而，所述二極體的峰谷電流電壓比通常小於9， 因此較小的晶片大小會犧牲電路穩定性。因此，需要一種具有改進的穩定性、非易失 性和降低的功率消耗的SRAM電路。

發明內容
本發明涉及靜態隨機存取存儲器(SRAM)單元和相關聯的形成技術。各種實例性 實施例採用微分負電阻(DNR)硫屬化合物裝置。
本發明的實例性實施例提供一種SRAM，其包含兩個DNR硫屬化合物裝置，一 個DNR硫屬化合物裝置用作另一個的負載。所述存儲器單元是通過串聯連接兩個 DNR硫屬化合物裝置製作而成，所述兩個DNR硫屬化合物裝置可為垂直堆疊以形成 小的佔有面積設計。另一選擇為，可通過將兩個串聯連接的DNR硫屬化合物裝置放 置成並排布局來製作所述單元。在另一實例性實施例中，所述SRAM包含一種串聯連 接到反向偏壓二極體的DNR硫屬化合物。


圖la是採用六個電晶體的常規RAM存儲器單元的電路圖lb是採用四個電晶體和電阻器負載上拉裝置的常規SRAM存儲器單元的電路
圖2是採用諧振穿隧二極體的常規存儲器單元的電路圖3是根據本發明的實例性實施例的存儲器單元的電路圖4是顯示本發明的操作的電流電壓圖表；
圖5是根據本發明的另一實例性實施例的存儲器單元的電路圖； 圖6是根據本發明的再一實例性實施例的存儲器單元的電路圖7是顯示圖6的本發明實施例的操作的電流電壓圖表；
圖8是根據本發明的實例性製作實施例的存儲器單元的橫截面；
圖9是根據本發明的另一實例性製作實施例的存儲器單元的橫截面；及
圖IO是具有根據本發明的存儲器裝置的處理系統。
具體實施例方式
雖然將通過某些實例性實施例來闡述本發明，但其它為所屬領域的技術人員所容 易知道的實施例也在本發明範圍內。因此，本發明的範圍僅參照隨附權利要求書加以界定。
以下說明中使用的術語"襯底"可包含任何支撐結構，包含但不限於具有暴露襯
底表面的半導體襯底。半導體襯底應理解為包含絕緣體上矽(SOI)、藍寶石上矽(sos)、 摻雜和非摻雜半導體、由基底半導體基礎支撐的矽外延層或其它半導體結構；然而， 也可使用除半導體以外的材料，至少所述材料適合於支撐集成電路。當在以下說明中 提及襯底或晶圓片時，則可能已利用先前的工藝步驟在基底半導體或基礎中或其上方 形成了區域或結。
術語"硫屬化合物玻璃"打算包含包括來自周期表的族VTA(或族16)的元素的玻 璃。族VIA元素(也稱作硫屬元素)包含硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、釙(Po)和氧(O)。
本發明提供一種SRAM存儲器單元和此類單元的陣列，每一單元包含兩個串聯連 接的DNR硫屬化合物裝置，在其之間具有共用輸入/輸出節點； 一個DNR硫屬化合物 裝置用作另一個的負載。每一 DNR硫屬化合物裝置包括頂和底電極及具有電阻可變 區域的硫屬化合物層。當將適宜的偏壓施加至單元時，存在三個操作點。其中一個點 是不穩定的，而其中兩個點是穩定的，其中所述兩個穩定操作點中的一者在輸入/輸出 節點處以低電壓提供而另一者以高電壓提供。可通過以低電壓或高電壓使中間輸入/ 輸出節點產生脈衝而在低電壓與高電壓之間切換存儲器單元。
如共同待決的序列號為10/410,567的申請案中所解釋，硫屬化合物裝置可製作成 在裝置退火時，在將銀層添加到所述裝置的電阻可變區域時，及在頂電極處將負電壓 脈衝施加至所述結構時，在負偏壓下表現出DNR操作模式。所述DNR模式在室溫下 保持穩定狀態，維持約130的峰谷電流電壓比，但可耐受200。C以上的溫度而不會損 失功能性。作為高峰谷比的結果，基於DNR的靜態RAM可以最小功率穩定地操作且 比常規裝置切換速度更快。這種存儲器技術也與主導性基於矽的CMOS技術兼容。
現在將參照附圖解釋本發明。圖3圖解說明本發明的實例性實施例。第一 DNR 硫屬化合物裝置IO (其結構在下文闡述)串聯連接到第二DNR硫屬化合物裝置20。 第二 DNR硫屬化合物裝置20充當第一 DNR硫屬化合物裝置10的負載。由字線上的 信號控制的電晶體開關5將來自位線上的電壓的電壓施加到兩個裝置10、20之間的節
點A以切換存儲器。節點A還在字線被信號啟動時將存儲器的所存儲狀態輸出回到位 線。
構造和操作DNR硫屬化合物裝置(例如，10、 20)的方式及其操作特性詳細闡 述於第10/410,567號和第10/193,529號申請案中。
圖4圖解說明圖3電路的負載線電流電壓特性。兩個曲線分別表示DNR硫屬化 合物裝置10與20的電流/電壓關係。水平軸顯示節點A上的電壓而垂直軸顯示電流。 對於所述電路，存在三個操作點。點100、 200均為穩定的操作點。點300是不穩定的。 這種狀態出現在兩個DNR硫屬化合物裝置10、 20具有相同的電流和電壓且因此在同 一操作點300處受到偏壓時。
在操作中，可在向字線提供正電壓以導通電晶體開關5時，將低電壓編程到裝置。 零電壓脈衝施加到位線。這種電壓脈衝將迫使節點A處在低電壓或圖4上的點100， 點100是穩定點。由於節點A處在穩定點，因此其將保持在低電壓下，其中僅有極小 的電流流過。
為將所述裝置編程到高電壓狀態，在字線接收導通電晶體開關5的正電壓的同時 施加到位線的電壓脈衝為電壓Vdd，如圖4中的0.6伏的實例性負電壓所示。此電壓脈 衝將迫使節點A接近於Vdd或圖4上的點200，點200是穩定點。由於節點A處在穩 定點，因此其將保持在Vdd，其中僅有極小的電流流過。
為讀出節點A處的電壓，將正電壓用脈衝輸送到字線以導通電晶體開關5。通過 外圍電路(未顯示)經由電晶體開關5來讀取節點A的狀態。由於裝置的髙穩定性， 因此節點A將保持在當前狀態下，只要外圍電路不施加足夠大的擾動來切換所述狀態。 如圖5中所示，寄生電容器35也可位於節點A處。
因此，所述串聯連接裝置之間的中心點處的輸入電壓在開關電晶體5和施加到位
線的電壓的控制下在Vdd與V^。und之間切換，且電路輸出穩定在接近於Vdd或Vground。
在Vdd與Vg,nd之間的任何地方，SRAM電路都是不穩定的且寄生噪聲將使電路在一 個方向或另一方向上移位到Vm或Vground。然而， 一旦電路處在兩個邏輯狀態中的一 者中，所述電路是穩定的且具有經受高達峰值電壓Vpc必和Vpi2 (如圖4中所示)的
噪聲的能力。應注意，還可反轉裝置的定向/極性，使得Vdd為正而Vgr。皿d相對為負或
Vdd為負而V
ground 相對為正。
圖6中圖解說明本發明的另一實施例。圖6的電路使用一個DNR硫屬化合物裝 置10及一個反向偏壓二極體60。反向偏壓二極體60用作DNR硫屬化合物裝置50的 恆流電源。類似於圖4中的負載線曲線，圖6中所示的實施例還具有兩個穩定的操作 點101及401，其中DNR硫屬化合物裝置50的負載線曲線51與反向偏壓二極體60 的負載線曲線61相交，如圖7中所示。DNR硫屬化合物裝置50與反向偏壓二極體 60之間的節點B處設置有輸入節點以施加電壓脈衝來切換所述存儲器並輸出所述存儲 器單元的狀態。輸出節點B處的輸出電壓中表明所述存儲器狀態的切換。應注意，反 向偏壓二極體60以非常低的電流操作，這可為所述電路提供低電流消耗的額外優點。可根據此項技術中任一已知的方法來實施反向偏壓二極體的製造。
在圖3及5的實例性實施例中，兩個DNR硫屬化合物裝置串聯連接。圖8中顯 示通過垂直堆疊兩個DNR硫屬化合物裝置208、 209來進行製造而形成4f2設計的 SRAM存儲器單元。第一DNR硫屬化合物裝置208與襯底201上的電源Vdd (為簡單 起見未顯示)耦合。第一DNR硫屬化合物裝置208包括耦合至Vdd的第一電極202、 具有DNR特性的硫屬化合物單元203及第二電極204。第一 DNR硫屬化合物裝置208 的第二電極204 (其是各裝置之間的連接節點)與第二DNR硫屬化合物裝置209電連 通，所述第二 DNR硫屬化合物裝置包括第二電極204、具有DNR特性的硫屬化合物 單元205及第三電極206。層203和205可為多層式裝置，例如，包括第一硫屬化合 物玻璃層、金屬-硫屬化合物層及第二硫屬化合物玻璃層。第二DNR硫屬化合物裝置 209經由第三電極206與Vground (為簡單起見未顯示)耦合。來自所述位線的由圖3、 5及6的開關5施加的切換電壓連接至第二電極204，所述第二電極充當第一 DNR硫 屬化合物裝置208的第二電極及第二 DNR硫屬化合物裝置209的第一電極。當然， 也可使所述結構反轉，其中電極20耦合至Vdd而電極202耦合至接地。應注意，Vground 也可為相對於較高電壓Vdd的低電壓以切換所述裝置。
另一選擇為，如圖9中所示，可通過並排地將兩個DNR硫屬化合物裝置308、 309 放在襯底301上來製造所述單元。第一 DNR硫屬化合物裝置308與電極302處的電 源Vdd (為簡單起見未顯示)耦合。第一DNR硫屬化合物裝置308包括第一電極302、 硫屬化合物單元303及第二電極304。第一 DNR硫屬化合物裝置308的第二電極304 與第二 DNR硫屬化合物裝置309電連通，所述第二 DNR硫屬化合物裝置包括第二電 極304、硫屬化合物單元305及第三電極306。層303及305可為多層式裝置，其(例 如)包括第一硫屬化合物玻璃層、金屬-硫屬化合物層及第二硫屬化合物玻璃層。第二 DNR硫屬化合物裝置309在電極306處與Vgr,d耦合。由圖3、 5及6的開關5施加 的切換電壓連接至第二電極304，所述第二電極是各裝置之間的節點且充當第一DNR 硫屬化合物裝置308的第二電極及第二 DNR硫屬化合物裝置309的第一電極。在此 情況下，有能夠同時產生第一及第二第二 DNR硫屬化合物裝置308及309 二者的額 夕卜益處。
值得注意的是，通過使用此種DNR硫屬化合物裝置而獲得的電路-電壓曲線在室 溫具有約為130的峰谷比。此峰谷比顯著地高於諸如Esaki 二極體或諧振穿隧二極體 等已知裝置(其具有約小於125的峰谷比)的峰谷比，從而提供本發明裝置勝過現有 技術裝置的更大穩定性。因此，即使存在將幹擾由其他裝置構造而成的SRAM單元的 寄生噪聲時，所有裝置的電壓狀態也能保持完好無損。
有利地，本文所揭示裝置具有高穩定性及高切換速度和最小的電力消耗。進一步 有利地，相比於需要四到六個電晶體的傳貴SEAM技術，本文所揭示裝置佔據較少的 空間。所述存儲器技術還與主導性基於矽的CMOS技術相兼容。
圖10是根據本發明的計算機系統150的簡化方塊圖，其包括存儲器電路158，例
如，使用如圖3、 5及6中所示裝置的SRAM。處理器系統(例如，計算機系統)通 常包括中央處理單元(CPU) 154，例如，微處理器、數位訊號處理器或其他可編程數 字邏輯裝置。這些裝置通過總線152與輸入/輸出(I/O)裝置156通信。存儲器158 通常通過存儲器控制器在總線152上與所述系統通信。在計算機系統的情況下，所述 處理器可包括外圍裝置，例如，磁碟驅動器155及CD-ROM驅動器157，其還通過總 線152與CPU 154通信。存儲器158優選地構造成包括一個或多個存儲器裝置的集成 電路。如果需要的話，可在單個集成電路中將存儲器158與處理器(例如，CPU 154) 組合在一起。
上文已闡述了本發明的各個實例性實施例。儘管己參考這些具體實施例闡述了本 發明，但該說明打算舉例說明本發明，而並非打算限定本發明。所屬技術領域的技術 人員可想出各種修改和應用，此並不背離在隨附權利要求書中所界定的本發明的實際 精神和範圍。
權利要求
1、一種隨機存取存儲器裝置，其包括第一微分負電阻硫屬化合物裝置；第二裝置，其與所述第一微分負電阻裝置串聯電連接，所述第一微分負電阻硫屬化合物裝置與所述第二裝置的所述串聯連接形成連接節點，所述連接節點提供代表所述存儲器裝置的級狀態的電壓；及開關，其耦合到所述節點以用於將電壓耦合到所述連接節點並切換所述存儲器裝置的存儲器狀態。
2、 如權利要求1所述的裝置，其中所述第二裝置為第二微分負電阻硫屬化合物裝置。
3、 如權利要求l所述的裝置，其中所述第二裝置為反向偏壓二極體。
4、 如權利要求1所述的裝置，其中所述第一微分負電阻硫屬化合物裝置和所述 第二裝置彼此上下堆疊且共享共用電極。
5、 如權利要求1所述的裝置，其中至少所述第一微分負電阻硫屬化合物裝置包括第一電極和第二電極；及硫屬化合物結構，其將所述第一與第二電極分離且與之電連通，所述硫屬化合物 結構表現出微分負電阻特性。
6、 如權利要求5所述的裝置，其中所述硫屬化合物層包括第一硫屬化合物玻璃 層、與所述第一硫屬化合物玻璃層接觸的金屬硫屬化合物層、及與所述金屬硫屬化合 物層接觸的第二硫屬化合物玻璃層。
7、 如權利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二微分負電阻硫屬化合物裝置 中的至少一者具有室溫下峰谷比至少為130的電流電壓曲線。
8、 如權利要求l所述的裝置，其中所述開關施加相對低或相對高的電壓。
9、 如權利要求8所述的裝置，其中所述節點輸出各自相對低或相對高的電壓。
10、 如權利要求l所述的裝置，其中以並排配置來提供所述第一和第二微分負電 阻硫屬化合物裝置。
11、 如權利要求l所述的裝置，其進一步包括電連接到所述節點的寄生電容。
12、 一種隨機存取存儲器裝置，其包括 微分負電阻硫屬化合物裝置；反向偏壓二極體，其與所述微分負電阻硫屬化合物裝置串聯電連接，所述微分負 電阻硫屬化合物裝置與所述反向偏壓二極體的所述串聯連接形成連接節點；及 開關，其耦合到所述連接節點以用於切換所述存儲器裝置的存儲器狀態。
13、 如權利要求12所述的裝置，其中所述微分負電阻硫屬化合物裝置包括第一電極和第二電極；及電阻可變區域，其將所述第一與第二電極分離且與之電連通，所述電阻可變區域 表現出微分負電阻存儲器行為且響應於所施加的電壓而存儲至少一個存儲器狀態。
14、 一種形成隨機存取存儲器裝置的方法，其包括 形成第一微分負電阻硫屬化合物裝置； 形成第二微分負電阻硫屬化合物裝置；在所述第一與第二微分負電阻硫屬化合物裝置之間形成電極；及 形成耦合到所述電極的開關元件。
15、 如權利要求14所述的方法，其進一步包括將所述第一微分負電阻硫屬化合 物裝置與所述第二微分負電阻硫屬化合物裝置串聯連接到一對供電終端， 一個用於使 用第一參考電壓而另一個用於使用第二參考電壓。
16、 如權利要求15所述的方法，其中所述第一參考電壓相對於所述第二參考電 壓為負。
17、 如權利要求14所述的方法，其中與所述形成所述第二微分負電阻硫屬化合 物裝置的步驟同時實施所述形成所述第一微分負電阻硫屬化合物裝置的步驟。
18、 如權利要求14所述的方法，其中在所述形成所述第二微分負電阻硫屬化合 物裝置的步驟之前實施所述形成所述第一微分負電阻硫屬化合物裝置的步驟。
19、 如權利要求14所述的方法，其進一步包括將寄生電容器電連接到所述電極。
20、 一種形成靜態隨機存取存儲器裝置的方法，其包括 形成微分負電阻硫屬化合物裝置； 形成反向偏壓二極體；在所述微分負電阻硫屬化合物裝置與所述反向偏壓二極體之間形成電極；及 形成耦合到所述電極的開關元件。
21、 一種處理系統，其包括 處理器；靜態隨機存取存儲器裝置，其包括第一微分負電阻硫屬化合物裝置； 第二微分負電阻硫屬化合物裝置，其與所述第一微分負電阻裝置串聯電連接，所述第一微分負電阻裝置用作所述第二微分負電阻存儲器裝置的負載，所述第一與第二 微分負電阻硫屬化合物裝置的所述串聯連接形成連接節點；及開關，其耦合到所述節點以用於切換所述存儲器裝置的存儲器狀態。
22、 如權利要求21所述的系統，其中至少所述第一微分負電阻硫屬化合物裝置 包括第一電極和第二電極；及電阻可變區域，其將所述第一與第二電極分離且與之電連通，所述電阻可變區域 表現出微分負電阻存儲器行為且響應於所施加的電壓將至少一個存儲器狀態存儲為讀取電流幅值。
23、 一種處理系統，其包括 處理器；隨機存取存儲器裝置，其耦合到所述處理器且包括 微分負電阻硫屬化合物裝置；反向偏壓二極體，其與所述微分負電阻硫屬化合物裝置串聯電連接，所述微 分負電阻硫屬化合物裝置與所述反向偏壓二極體的所述串聯連接形成連接節點；及 開關，其耦合到所述連接節點以用於切換所述存儲器裝置的存儲器狀態。
24、 如權利要求23所述的系統，其中所述微分負電阻硫屬化合物裝置包括 第一電極和第二電極；及電阻可變區域，其將所述第一與第二電極分離且與之電連通，所述電阻可變區域 表現出微分負電阻存儲器行為且響應於所施加的電壓將至少一個存儲器狀態存儲為讀 取電流幅值。
25、 一種存儲器陣列，其包括多個隨機存取存儲器單元，每一存儲器單元包括 第一微分負電阻硫屬化合物裝置；與所述第一微分負電阻裝置串聯電連接的用於存儲第二電荷的第二裝置，所 述第一微分負電阻硫屬化合物裝置與所述第二裝置的所述串聯連接形成用於提供輸出電壓的連接節點；及開關，其耦合到所述節點以用於切換所述存儲器裝置的存儲器狀態。
26、 如權利要求25所述的存儲器陣列，其中所述多個存儲器單元中的至少一者的所述第二裝置為第二微分負電阻硫屬化合物裝置。
27、 如權利要求25所述的存儲器陣列，其中所述多個存儲器單元中的至少一者的所述第二裝置為反向偏壓二極體。
28、 如權利要求25所述的存儲器陣列，其中所述隨機存取存儲器單元為靜態隨機存取存儲器單元。
全文摘要
一種穩定性得到改進的SBAM存儲器裝置，其包含兩個串聯連接的裝置，所述裝置的至少一者是表現出微分負電阻特性的硫屬化合物裝置。所述兩個裝置中的一者用作另一者的負載。提供開關以偏壓中間輸入節點且在兩個邏輯狀態之間切換所述存儲器裝置。
文檔編號G11C11/38GK101194321SQ200680020753
公開日2008年6月4日 申請日期2006年4月19日 優先權日2005年4月20日
發明者軍 劉, 特裡·L·吉爾東 申請人:美光科技公司