不對稱存儲單元的製作方法

2023-06-29 08:32:21 2

專利名稱：不對稱存儲單元的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及到集成電路(IC)存儲單元陣列，並且更具體地涉及到一種不對稱存儲電阻存儲單元及其製造方法。
背景技術：
通常，使用存儲電阻器材料，如超大磁致電阻(CMR)材料的存儲單元用未經圖案化的導電底部電極，未經圖案化的CMR材料以及相對較小的頂部電極製成。這些器件在有限的一些應用中起作用，但是因為這些存儲單元尺寸相對較大它們不適用於高密度存儲器陣列應用。
CMR材料可以說具有非易失特性，因為CMR材料的電阻在多數情況下保持恆定。但是，當高電場感應電流流過CMR材料時，可以導致CMR電阻改變。在程序過程中，在靠近電極的高電場區域處的存儲電阻器的電阻率首先改變。實驗數據表明，在稱為A端的陰極處材料的電阻率增加，而在稱為B端的陽極處材料電阻率減少。在擦除過程中，脈衝極化反轉，即陰極和陽極的指定被反轉。因而，靠近A端的材料電阻率減少，而靠近B端的材料電阻率增加。
隨著對單元存儲器需求的增加，減少陣列中存儲單元的尺寸動力也越加強烈。但是，較小的特徵尺寸使得器件對工藝容許偏差更為敏感。由於工藝容差，相當小的幾何不對稱器件都不能實用。然而，分析(下面給出)表明，所製造的充分幾何對稱的存儲單元將不能正常工作。即使這些幾何對稱器件可以被編程，但是從高電阻狀態到低電阻狀態的淨電阻變化相對較低。
如果存儲單元能夠設計為具有用足夠的不對稱，以保證不管工藝容差仍然有充分的電阻狀態改變，這將是很有優勢的。

發明內容
本發明描述了一種用於非易失存儲器陣列和模擬電阻應用的薄膜電阻存儲器件。器件存儲特性取決於存儲單元的不對稱結構。
因而，提供一種用於形成不對稱存儲單元的方法。該方法包括形成具有第一面積的底部電極；形成覆蓋底部電極的電脈衝變化電阻(EPVR)材料；形成覆蓋該EPVE層具有小於第一面積的第二面積的頂部電極。在一些方面，頂部電極第二面積比底部電極第一面積小至少20％。EPVR由諸如超大磁致電阻(CMR)材料，高溫超導(HTSC)材料，或鈣鈦礦金屬氧化物材料形成。
該方法可進一步包括在頂部電極和底部電極之間感應一電場；以及響應該電場，感應電流流過鄰近頂部電極的EPVR。
該方法進一步包括響應於流過鄰近頂部電極的EPVR的感應電流，調整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻。更具體地，調整第二EPVR區的電阻，而保持第一EPVR區的電阻恆定。典型地，在100歐姆-10兆歐(Mohms)範圍內調整電阻。
以下提供上述方法及不對稱存儲單元的其它詳細情況。


圖1A和1B是在編程(圖1A)和擦除(圖1B)操作過程中存儲單元的局部橫截面視圖。
圖2A和2B是存儲單元的局部橫截面視圖，其中，存儲電阻器具有圓柱形形狀，並且嵌入氧化物或其它合適的絕緣體中。
圖3是本發明的不對稱存儲單元的局部橫截面視圖。
圖4A和4B表示本發明的存儲單元的編程(圖4A)和擦除操作(圖4B)。
圖5是表示用於形成不對稱存儲單元的本發明的方法流程圖。
具體實施例方式
圖1A和1B是在編程(圖1A)和擦除(圖1B)操作過程中存儲單元的局部橫截面視圖。頂部和底部電極相同，並且存儲電阻材料整體均勻。如果器件的幾何結構能夠做得十分對稱，當施加負電場(圖1A)或正電場(圖1B)時，在高電阻狀態，淨電阻將保持恆定。注意，電場方向相對於頂部電極確定。即，電場被認為從頂部電極感應。在這種情況下，不可能進行編程。因此，幾何對稱的器件結構，如圖1A和1B中所示的結構，不實用。
更具體地，在電場存在情況下，幾何對稱存儲單元在電極附近(區域A和B)具有高電流密度，而在器件的中心部分具有低電流密度。結果，在頂部和底部電極附近的CMR材料的電阻率被改變。例如，如果在頂部電極附近的存儲電阻器材料的電阻率增加，而底部電極附近的存儲電阻器材料的電阻率減少，存儲單元可被編程為高電阻狀態。當施加到頂部電極的電脈衝的極性反轉(變成正脈衝，圖1B)，在頂部電極附近的材料(區域A)變成低電阻(RL)，而在底部電極附近的材料(區域B)變成高電阻(RH)。但是，存儲電阻的總電阻保持相同，仍然處於高電阻狀態。因此，不可能將存儲電阻器編程到低電阻狀態。
由於區域A和區域B分別非常靠近頂部和底部電極，並且它們的厚度可以薄到10納米(nm)，上述效應可能被錯誤地歸類為界面效應。但是，存儲不是界面特性的改變，而是體電阻率的變化。
圖2A和2B是存儲單元的局部橫截面視圖，其中，存儲電阻器具有圓柱形形狀，並且嵌入氧化物或其它合適的絕緣體中(現有技術)。在頂部和底部電極附近的電場強度高。由於頂部電極附近的電場方向與底部電極附近的電場方向相反，頂部電極附近的存儲電阻器材料的電阻率增加，而底部電極附近的存儲電阻器材料的電阻率減少。結果，不管施加正還是負脈衝到頂部電極，存儲電阻都被編程到高電阻狀態。再次，幾何對稱結構不適用於電阻器存儲單元。
圖3是本發明的不對稱存儲單元的局部橫截面視圖。存儲單元300包括具有第一面積的底部電極302和覆在底部電極302上的電脈衝變化電阻(EPVR)材料層304。頂部電極306覆在EPVR層304上。頂部電極306具有小於第一面積的第二面積。在一些方面，頂部電極第二面積比底部電極第一面積小至少20％。注意，頂部電極306如兩個電極中較小的一個所示。但是，在本發明的其它方面(未示出)，單元300將與比頂部電極306小20％的底部電極等效操作。
正如此處所使用的，電極面積被定義為與EPVR層304接觸的表面面積。雖然頂部和底部電極表面被描述為與EPVR層接觸處平面，但電極表面不一定為平面。
EPVR層304是諸如超大磁致電阻(CMR)材料，高溫超導(HTSC)材料或鈣鈦礦金屬氧化物材料之類的材料。底部電極302是諸如Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au或Ir之類的材料。同樣地。頂部電極306是諸如Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au或Ir之類材料。頂部電極和底部電極不一定用相同材料製成。
作為整體考慮，EPVR層304具有第一總電阻，第一總電阻是響應於施加在頂部和底部電極306/302之間的第一電壓脈衝，在頂部和底部電極306/302之間測量得到的。例如，由較小的頂部電極306的透視圖，第一電壓脈衝可以建立負電場。EPVR層304具有響應於第二電壓脈衝的第二總電阻，它小於第一電阻。例如，由頂部電極306的透視圖，第二電壓脈衝可以建立正電場。
響應於第一電壓脈衝，EPVR層第一電阻在100歐姆-10兆歐範圍內，第一電壓脈衝具有2-5伏範圍內的負振幅和1ns-10微秒(μs)範圍內的持續時間。響應於第二電壓脈衝，EPVR層第二電阻在100歐姆-1千歐範圍內，第二電壓脈衝具有2-5伏範圍內的正振幅和1ns-10微秒(μs)範圍內的持續時間。
功能描述為了克服上面背景技術部分提到的對稱存儲單元的固有問題，研發了不對稱電阻器存儲結構。與底部電極尺寸相比，頂部電極相對較小。在一方面，底部電極面積是頂部電極的1.3倍。
圖4A和4B表示本發明的存儲單元的編程(圖4A)和擦除操作(圖4B)。當在頂部和底部電極間施加電壓時，靠近頂部電極的電場強度大，並且因此電流密度也大。靠近底部電極的電場強度/電流密度小。結果，只有靠近頂部電極的存儲電阻器材料的電阻率被改變。靠近底部電極的EPVR材料中的電阻不會由於靠近底部電極所施加的電場/電流改變。對於高密度布線，存儲器件可以為圓形或方形，製造後一般都變為圓形。單元可用傳統工藝製造，唯一的區別在於需要將底部電極的直徑增加或減少到比頂部電極大或小約20％。
圖5是表示用於形成不對稱存儲單元的本發明的方法。雖然為清楚起見，該方法按編號步驟順序描述，但是除非明確指出，否則不應該從編號推測順序。應該明白，這些步驟中的一些可以跳過，可以並行進行，或不需要保持嚴格的順序進行。本方法從步驟500開始。
步驟502形成具有第一面積的底部電極。步驟504在底部電極上形成電脈衝變化電阻(EPVR)材料。步驟506在EPVR層上形成具有第二面積的頂部電極，第二面積小於第一面積。在一些方面，第二面積比第一面積小至少20％。或者，如上面提到的，底部電極可以具有比頂部電極小(至少小20％)的面積。步驟508在頂部電極和底部電極之間感應電場。步驟510響應電場，感應電流流過鄰近頂部電極的EPVR。
在步驟502中形成底部電極包括用諸如Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au或Ir材料形成底部電極。同樣地，在步驟506中形成頂部電極包括用諸如的Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au或Ir的材料形成頂部電極。頂部和底部電極可用不同材料製成。在步驟504中形成EPVR層包括用諸如CMR，HTSC，或鈣鈦礦金屬氧化物材料的材料形成EPVR層。
在一些方面，步驟510中在頂部電極和底部電極之間感應電場包括在頂部和底部電極之間施加振幅在2-5伏範圍內且持續時間在1ns-10微秒(μs)範圍內的負電壓脈衝。其次，步驟512中調整頂部電極和底部電極之間的EPVR的電阻包括在電極之間建立第一高電阻(100-10兆歐)。
在其它方面，步驟510中在頂部電極和底部電極之間感應電場包括在頂部和底部電極之間施加振幅在2-5伏範圍內且持續時間在1ns-10μs範圍內的正脈衝。其次，步驟512中調整頂部電極和底部電極之間的EPVR的電阻包括在電極之間建立低於第一電阻的第二電阻(100-1000歐姆)。
在一些方面，響應流過鄰近頂部電極的感應電流而調整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻(步驟512)包括在100歐姆-10兆歐範圍內調整電阻。
已經提供了不對稱存儲單元和形成不對稱存儲單元的方法。已經給出一些實例來說明本發明，但是本發明不只限於這些實例。本領域的技術人員將會想到本發明的其它變化和實施例。
權利要求
1.用於形成不對稱存儲單元的方法，該方法包括形成具有第一面積的底部電極；形成覆在底部電極上的電脈衝變化電阻(EPVR)材料；形成在EPVR層上的具有小於第一面積的第二面積的頂部電極。
2.權利要求1的方法，進一步包括在頂部電極和底部電極之間感應電場；以及響應該電場，感應電流流過鄰近頂部電極的EPVR。
3.權利要求2的方法，進一步包括響應感應流過鄰近頂部電極的EPVR的電流，調整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻。
4.權利要求3的方法，其中，在頂部電極和底部電極之間感應電場包括在頂部電極和底部電極之間施加振幅在2-5伏範圍內且持續時間在1ns-10μs範圍內的負電壓脈衝；以及其中，調整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻包括在電極之間建立第一高電阻。
5.權利要求4的方法，其中，在頂部電極和底部電極之間感應電場包括在頂部電極和底部電極之間施加振幅在2-5伏範圍內且持續時間在1ns-10μs範圍內的正脈衝；以及其中，調整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻包括在電極之間建立低於第一電阻的第二電阻。
6.權利要求1的方法，其中，形成具有比第一面積小的第二面積的覆蓋EPVR層的頂部電極包括第二面積比第一面積小至少20％。
7.權利要求1的方法，其中，形成底部電極包括用選自包括Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au和Ir的組的材料形成底部電極；以及其中形成頂部電極包括用選自包括Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au和Ir的組的材料形成頂部電極。
8.權利要求1的方法，其中，形成EPVR層包括用選自包括超大磁致電阻(CMR)、高溫超導(HTSC)和鈣鈦礦金屬氧化物材料的組的材料形成EPVR層。
9.權利要求3的方法，其中，響應感應流過鄰近頂部電極的EPVR的電流而調整頂部和底部電極之間的EPVR的電阻包括在100歐姆-10兆歐範圍內調整電阻。
10.用於形成不對稱存儲單元的方法，該方法包括形成具有第一面積的底部電極；形成覆在底部電極上的電脈衝變化電阻(EPVR)材料；形成覆在EPVR層上的具有大於第一面積的第二面積的頂部電極。
11.權利要求10的方法，其中，形成具有比第一面積大的第二面積的覆蓋EPVR層的頂部電極包括第一面積比第二面積小至少20％。
12.一種不對稱存儲單元，包括具有第一面積的底部電極；覆在底部電極上的電脈衝變化電阻(EPVR)材料層；覆在EPVR層上的具有小於第一面積的第二面積的頂部電極。
13.權利要求12的存儲單元，其中，頂部電極第二面積比底部電極第一面積小至少20％。
14.權利要求13的存儲單元，其中，底部電極是選自包括Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au和Ir的組的材料；以及其中，頂部電極是選自包括Pt，TiN，TaN，TiAlN，TaAlN，Ag，Au和Ir的組的材料。
15.權利要求13的存儲單元，其中，EPVR層具有第一總電阻，第一總電阻是響應於施加在頂部和底部電極之間的第一電壓脈衝，在頂部和底部電極之間測量得到的；以及其中，EPVR層具有響應於第二電壓脈衝的小於第一電阻的第二總電阻。
16.權利要求15的存儲單元，其中，響應於第一電壓脈衝，EPVR層第一電阻在100歐姆-10兆歐範圍內，第一電壓脈衝具有2-5伏範圍內的負振幅以及1ns和10微秒(μs)範圍內的持續時間。
17.權利要求16的存儲單元，其中，響應於第二電壓脈衝，EPVR層第二電阻在100歐姆-1千歐範圍內，第二電壓脈衝具有2-5伏範圍內的正振幅和1ns-10μs範圍內的持續時間。
18.權利要求12的存儲單元，其中，EPVR層是選自包括超大磁致電阻(CMR)、高溫超導(HTSC)和鈣鈦礦金屬氧化物材料的組的材料。
19.一種不對稱存儲單元，包括具有第一面積的底部電極；覆在底部電極上的電脈衝變化電阻(EPVR)材料層；覆在EPVR層上的具有大於第一面積的第二面積的頂部電極。
20.權利要求19的存儲單元，其中，底部電極第一面積比頂部電極第二面積小至少20％。
全文摘要
本發明提供一種不對稱存儲單元和用於形成不對稱存儲單元的方法。方法包括形成具有第一面積的底部電極；在底部電極上形成電脈衝變化電阻(EPVR)材料；在EPVR層上形成具有比第一面積小的第二面積的頂部電極。在一些方面，第二面積比第一面積小至少20％。EPVR材料是諸如超大磁致電阻(CMR)材料、高溫超導(HTSC)材料或鈣鈦礦金屬氧化物材料的材料。本方法進一步包括在電極之間感應電場；感應電流使其流過鄰近頂部電極的EPVR；以及響應流過鄰近頂部電極的EPVR的感應電流，調整EPVR的電阻。典型地，在100歐姆－10兆歐範圍內調整電阻。
文檔編號G11C13/00GK1574295SQ20041004571
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月21日 優先權日2003年5月21日
發明者許勝籐, 李廷凱, D·R·埃文斯 申請人:夏普株式會社