可變電阻存儲器件的制作方法
【專利摘要】一種可變電阻存儲器件包括：多個列選擇開關(guān)；多個可變電阻存儲器單元，所述多個可變電阻存儲器單元被配置成層疊并且通過多個列選擇開關(guān)來選擇；以及位線，所述位線與多個可變電阻存儲器單元連接。多個可變電阻存儲器單元中的每個包括雙向閾值開關(guān)OTS元件以及與OTS元件并聯(lián)連接的可變電阻器，所述OTS元件通過被布置成層疊的多個字線選擇性地驅(qū)動。
【專利說明】可變電阻存儲器件
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年10月30日向韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的申請?zhí)枮?0-2012-0121125的韓國專利申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明構(gòu)思涉及一種可變電阻存儲器件，且更具體而言，涉及一種三維(3D)層疊型可變電阻存儲器件。
【背景技術(shù)】
[0004]隨著移動數(shù)字信息通信和消費電子工業(yè)的迅速發(fā)展，預(yù)計到對現(xiàn)有的電荷控制器件的研究將遇到限制。因而，需要開發(fā)除了現(xiàn)有的電荷器件以外的新構(gòu)思的新功能的存儲器件。具體地，需要開發(fā)具有大容量、超高速率和超低功率的下一代的存儲器件。
[0005]目前，使用電阻元件作為存儲介質(zhì)的阻變存儲器件已被提出作為下一代的存儲器件。典型的阻變存儲器件包括:相變隨機存取存儲器(PCRAM)、電阻RAM (ReRAM)以及磁阻RAM (MRAM)。
[0006]阻變存儲器件可以基本由開關(guān)元件和電阻元件來配置。另外，阻變存儲器件可以根據(jù)電阻元件的狀態(tài)來存儲數(shù)據(jù)“O”或“ I ”。
[0007]即使在阻變存儲器件中，最優(yōu)先的事是提高集成度和將盡可能多的存儲器單元集成在狹小的面積中。此外，在阻變存儲器件中，當(dāng)多個存儲器單元集成在有限面積中時，要確保開關(guān)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的一個方面，提供了一種可變電阻存儲器件。所述可變電阻存儲器件可以包括:半導(dǎo)體襯底；列選擇開關(guān)，所述列選擇開關(guān)形成在半導(dǎo)體襯底上；層疊柵，所述層疊柵形成在列選擇開關(guān)上，其中，所述層疊柵包括被層疊成彼此絕緣的多個導(dǎo)電層；雙向閾值開關(guān)(ovonic threshold switch, 0TS)材料層,所述OTS材料層形成在層疊柵上，并且與列選擇開關(guān)連接；以及可變電阻材料層，所述可變電阻材料層形成在OTS材料層的表面上。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的另一個方面，提供了一種可變電阻存儲器件。所述可變電阻存儲器件可以包括:半導(dǎo)體襯底；以及多個存儲器單元，所述多個存儲器單元層疊在半導(dǎo)體襯底上并且彼此串聯(lián)連接。多個存儲器單元中的每個包括雙向閾值開關(guān)(OTS)和可變電阻層。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的另一個方面，提供了一種可變電阻存儲器件。所述可變電阻存儲器件包括:多個列選擇開關(guān)；多個可變電阻存儲器單元，所述多個可變電阻存儲器單元被配置成層疊，并且通過多個列選擇開關(guān)來選擇；以及位線，所述位線與多個可變電阻存儲器單元連接。多個可變電阻存儲器單元中的每個包括雙向閾值開關(guān)(OTS)元件以及與OTS元件并聯(lián)連接的可變電阻器，所述OTS元件被層疊的多個字線選擇性地驅(qū)動。
[0011]在以下標(biāo)題為“【具體實施方式】”的部分中描述這些以及其他的特征、方面和實施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]通過以下結(jié)合附圖進行的詳細描述，本發(fā)明的主題的以上和其他的方面、特征以及優(yōu)點將變得更容易理解，其中:
[0013]圖1是說明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示例性實施例的可變電阻存儲器件的電路圖；
[0014]圖2是說明應(yīng)用到本發(fā)明構(gòu)思的一個示例性實施例的雙向閾值開關(guān)(OTS)的電壓電流特性的曲線圖；
[0015]圖3和4是說明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示例性實施例的可變電阻存儲器件的操作的示圖；以及
[0016]圖5至9是示出制造根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例性實施例的可變電阻存儲器件的方法的截面圖。
【具體實施方式】
[0017]在下文中，將參照附圖來更詳細地描述示例性實施例。
[0018]本文參照截面圖來描述示例性實施例,截面圖是示例性實施例(以及中間結(jié)構(gòu))的示意性圖示。結(jié)果，可以預(yù)料到圖示的形狀變化，例如制造技術(shù)和/或公差。因而，示例性實施例不應(yīng)被解釋為限于本文所說明`的區(qū)域的特定形狀，而是應(yīng)被理解成可以包括例如來自于制造的形狀差異。因而，在附圖中，為了清楚起見，可能對層和區(qū)域的長度和尺寸進行夸大。在本說明書中，相同的附圖標(biāo)記與本發(fā)明的各個附圖和實施例中的相同編號的部分直接相對應(yīng)。應(yīng)當(dāng)容易理解的是:本公開中的“在…上”和“在…之上”的含義應(yīng)當(dāng)采用最廣義的方式來解釋，使得“在…上”不僅意味著“直接在某物上”，還意味著在具有中間特征部或中間層的情況下“在某物上”；“在…之上”不僅意味著在頂部上，還意味著在具有中間特征部或中間層的情況下在某物的頂部上。
[0019]參見圖1，可變電阻存儲器件10包括串聯(lián)連接的多個存儲器單元mCl、mC2、mC3以及 mc4。
[0020]多個存儲器單元mcl至mc4可以串聯(lián)連接在位線BL和公共源級線CS之間。換言之，串聯(lián)連接的多個存儲器單元mcl至mc4可以被順序?qū)盈B在半導(dǎo)體襯底(未示出)上。在示例性實施例中，被層疊成串聯(lián)連接的多個存儲器單元mcl至mc4被稱作且將被描述為列存儲串SSl和SS2。
[0021]存儲器單元mcl至mc4中的每個包括開關(guān)元件OTSl至0TS4中的每個以及可變電阻器Rl至R4中的每個。構(gòu)成每個存儲器單元的開關(guān)元件和可變電阻器可以彼此并聯(lián)連接。在示例性實施例中，可以使用雙向閾值開關(guān)(OTS)作為開關(guān)元件OTSl至0TS4。用于開關(guān)元件OTSl至0TS4的OTS元件是閾值電壓基于電流或電壓而改變的元件。這種OTS元件在美國專利N0.5694146中被詳細公開。
[0022]應(yīng)用于示例性實施例的溝道層(在下文中，被稱作OTS材料層)可以包括包含選自締(Te)、硒(Se)、娃(Si)、砷(As)、鈦(Ti)、硫(Si)以及鋪(Sb)中的至少一種的硫族化物材料。相對于用于可變電阻器Rl至R4的可變電阻材料，用于OTS材料層的硫族化物材料可以具有較好的導(dǎo)電性和電流遷移率(current mob i I i ty )。
[0023]如圖2所示，OTS元件具有以下特性:在未供應(yīng)OTS元件的柵極電壓的時段(a)中不產(chǎn)生電流I，并且在供應(yīng)恒定柵極電壓的時段(b)中電流I增大。因此，在示例性實施例中，可以利用通過OTS元件的柵極電壓產(chǎn)生的電流，來執(zhí)行從可變電阻器中讀取/向可變電阻器中寫入。
[0024]開關(guān)SWl和SW2是分別被配置成選擇列存儲串SSl和SS2的列選擇開關(guān)。因而，開關(guān)SWl和SW2也被稱作例如列選擇晶體管SWl和SW2。
[0025]在下文中，將描述根據(jù)一個示例性實施例的可變電阻存儲器件的操作。
[0026]在示例性實施例中，將描述從圖1中的第一列存儲串SSl的第二存儲器單元mc2中讀取數(shù)據(jù)/寫入數(shù)據(jù)的一個實例。
[0027]參見圖3，將高電壓作為柵極電壓VCl供應(yīng)到被配置成選擇第一列存儲串SSl的第一列選擇晶體管SWl。
[0028]隨后，除了讀取數(shù)據(jù)的第二存儲器單元mc2以外的第一、第三和第四存儲器單元mcl、mc3和mc4的OTS元件0TS1、0TS3以及0TS4被使能。換言之，將高電壓供應(yīng)為第一、第三和第四柵極電壓VG1、VG3和VG4以使能第一、第三和第四OTS元件0TS1、0TS3以及0TS4，將低電壓供應(yīng)為第二柵極電壓VG2以禁止第二 OTS元件0TS2。高電壓可以與可以在OTS元件中產(chǎn)生電流的范圍內(nèi)的電壓相對應(yīng)，低電壓可以表不未供給電壓的狀態(tài)。
[0029]結(jié)果，第四、第三以及第一存儲器單元mc4、mc3和mcl的第四、第三以及第一 OTS元件0TS4、0TS3以及OTSl導(dǎo)通以形成電流路徑。第二存儲器單元mc2的第二 OTS元件0TS2被禁止，所以經(jīng)過第二可變電阻器R2形成電流路徑。
[0030]因此，從位線BL提供的寫入電流Iwrite經(jīng)由第四OTS元件0TS4和第三OTS元件0TS3、第二可變電阻器R2以及第一 OTS元件OTSl流向公共源極線CS，由此數(shù)據(jù)被寫入在第二可變電阻器R2中。
[0031 ] 參見圖4，在與上述寫入操作相同的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)下，讀取電流Iread從位線BL被提供到選中的列存儲串SS1。讀取電流Iread經(jīng)由相應(yīng)的電流路徑而到達與接地端子連接的公共源極線CS。寫入在第二可變電阻器R2中的數(shù)據(jù)可以基于到達公共源級線CS的電流的測量值來變化。讀取電流Iread可以具有不影響可變電阻器R2的結(jié)晶狀態(tài)的電平。換言之，讀取電流Iread可以具有比寫入電流Iwrite更低的值。
[0032]圖5至9是說明制造根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例性實施例的可變電阻存儲器件的方法的截面圖。
[0033]參見圖5，在半導(dǎo)體襯底100上形成公共源極區(qū)105。公共源極區(qū)105可以包括例如雜質(zhì)區(qū)或?qū)щ妼印?br> [0034]在公共源極區(qū)105上形成具有恒定厚度的導(dǎo)電層，然后將導(dǎo)電層圖案化以形成溝道柱體110。將雜質(zhì)注入到溝道柱體110的上部中以形成漏極區(qū)115。因而，在溝道柱體110中限定溝道形成區(qū)。
[0035]溝道柱體110可以形成在被限定為列存儲串SSl和SS2的每個區(qū)域中。柵絕緣層120沉積在形成有溝道柱體110的半導(dǎo)體襯底100上。柵極125被形成為包圍溝道柱體110。柵極125可以形成為具有與溝道形成區(qū)相對應(yīng)的高度(或厚度)。因此，形成了垂直列選擇晶體管SWl和SW2中的每個。
[0036]層間絕緣層130形成在形成有列選擇晶體管SWl和SW2的半導(dǎo)體襯底100上。層間絕緣層130可以被形成為具有使得列選擇晶體管SWl和SW2掩埋于其中的厚度。然后，將層間絕緣層130平坦化以暴露漏極區(qū)115。隨后，可以通過常規(guī)方法在暴露的漏極區(qū)115中形成歐姆層135。在示例性實施例中，例如，硅化物層可以用作歐姆層135。
[0037]參見圖6，通過在層間絕緣層130上交替沉積絕緣層140a、140b、140c和140d以及導(dǎo)電層145a、145b、145c和145d至少一次或更多次來形成層疊柵圖案。在示例性實施例中，可以形成層疊柵圖案，使得絕緣層140e被設(shè)置為最上層，并且將絕緣層140a、140b、140c、140d和140e以及導(dǎo)電層145a、145b、145c和145d以相應(yīng)的順序交替地層疊四次。
[0038]導(dǎo)電層145a、145b、145c以及145d可以是OTS晶體管的柵極材料，并且可以包括例如選自以下材料中的一種或更多種材料:摻雜多晶硅、鎢(W)、銅(Cu)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)、氮化鑰(MoN)、氮化鈮(NbN)、氮化鈦硅(TiSiN)、氮化鈦鋁(TiAIN)、氮化鈦硼(TiBN)、氮化鋯硅(ZrSiN)、氮化鎢硅(WSiN)、氮化鎢硼(WBN)、氮化鋯鋁(ZrAIN)、氮化鑰硅(MoSiN)、氮化鑰鋁(MoAIN)、氮化鉭硅(TaSiN)、氮化鉭鋁(TaAIN)、鈦(Ti)、鎢(W)、鑰(Mo)、鉭(Ta)、硅化鈦(TiSi)、硅化鉭(TaSi )、鎢鈦(TiW)、氧氮化鈦(TiON)、氧氮化鈦鋁(TiAlON)、氧氮化鎢(WON)以及氧氮化鉭(TaON)。
[0039]參見圖7，刻蝕絕緣層 140a、140b、140c、140d和 140e 以及導(dǎo)電層 145a、145b、145c和145d，以形成暴露每個溝道柱體110上的歐姆層135的孔H。接著，柵絕緣層150被沉積在包括孔H的半導(dǎo)體襯底100的表面上，且被各向異性地刻蝕使得OTS晶體管的柵絕緣層150被沉積在孔H的側(cè)壁部分上。
[0040]參見圖8，OTS材料層155和可變電阻材料層160被順序沉積在包括形成在孔H的側(cè)壁部分上的柵絕緣層150的半導(dǎo)體襯底100的表面上。OTS材料層155可以包括選自碲(Te)、硒(Se)、鍺(Ge)、硅(Si)、砷(As)、鈦(Ti)、硫(S)和銻(Sb)中的至少一種?？梢钥刂芆TS材料層155的成分，使得OTS材料層155具有負微分電阻(negative differentialresistance,NDR)特性?？勺冸娮璨牧蠈?60可以包括選自如下材料中的一種:用于ReRAM的材料的PCMO層、用于PCRAM的材料的硫族化物層、用于MRAM的材料的磁性層、用于自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻RAM (STTMRAM)的材料的磁化反轉(zhuǎn)器件層、以及用于PoRAM的材料的聚合物層。粘合改進層(未示出)可以插入在OTS材料層155和可變電阻材料層160之間。此外，OTS材料層155可以被形成為比可變電阻材料層160更厚，使得當(dāng)OTS晶體管導(dǎo)通時，電流可以被導(dǎo)向OTS晶體管而不是可變電阻器。此外，由于寫入電流Iwrite根據(jù)可變電阻材料層160的沉積厚度而變化，所以低電流驅(qū)動是可能的。在示例性實施例中，在OTS材料層155和可變電阻材料層160之間的界面處產(chǎn)生的電阻器可以用作加熱電極。
[0041]接著，在包括OTS材料層155和可變電阻材料層160的半導(dǎo)體襯底100上形成掩埋絕緣層165。將掩埋絕緣層165、可變電阻材料層160以及OTS材料層155平坦化，直到暴露出最上面的絕緣層140e，且因而將掩埋絕緣層165填充在孔H內(nèi)。
[0042]參見圖9，在將掩埋絕緣層165掩埋在設(shè)置在半導(dǎo)體襯底100上的孔H中的所得結(jié)構(gòu)上形成位線170。
[0043]根據(jù)示例性實施例，將單元柵極層疊，并且將多個存儲器單元形成為層疊在限定的空間中。因此，可以提高集成度。此外，與可變電阻存儲器的行為幾乎相同的OTS晶體管用作開關(guān)元件，且因而可以進一步改善開關(guān)特性。
[0044]本發(fā)明構(gòu)思不限于上述示例性實施例。
[0045]盡管在示例性實施例中將列選擇晶體管設(shè)置在層疊柵和半導(dǎo)體襯底之間，列選擇晶體管也可以設(shè)置在層疊柵和位線之間。
[0046]本發(fā)明的上述實施例是說明性的，而不是限制性的。各種替換和等同是可以的。本發(fā)明不限于本文描述的實施例，且本發(fā)明也不限于任何特定類型的半導(dǎo)體器件?？紤]到本公開內(nèi)容，其它的添加、刪減或改型也是顯然的，并且意在落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種可變電阻存儲器件，包括: 半導(dǎo)體襯底； 列選擇開關(guān)，所述列選擇開關(guān)形成在所述半導(dǎo)體襯底上； 層疊柵，所述層疊柵形成在所述列選擇開關(guān)上，其中，所述層疊柵包括被層疊成彼此絕緣的多個導(dǎo)電層； 雙向閾值開關(guān)OTS材料層，所述雙向閾值開關(guān)材料層形成在所述層疊柵上，并且與所述列選擇開關(guān)連接；以及 可變電阻材料層，所述可變電阻材料層形成在所述OTS材料層的表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的可變電阻存儲器件，其中，所述列選擇開關(guān)包括垂直溝道晶體管， 其中，所述垂直溝道晶體管包括: 公共源極區(qū)，所述公共源極區(qū)形成在所述半導(dǎo)體襯底上； 溝道柱體，所述溝道柱體形成在所述公共源極區(qū)上； 漏極，所述漏極形成在 所述溝道柱體的上部區(qū)域中； 柵極，所述柵極包圍所述溝道柱體的外周緣；以及 第一柵絕緣層，所述第一柵絕緣層插入在所述溝道柱體和所述柵極之間。
3.如權(quán)利要求2所述的可變電阻存儲器件，其中，所述層疊柵被形成為位于所述漏極的任意一側(cè)。
4.如權(quán)利要求2所述的可變電阻存儲器件，其中，所述OTS材料層形成在所述層疊柵的側(cè)壁和所述垂直溝道晶體管的漏極上。
5.如權(quán)利要求4所述的可變電阻存儲器件，其中，所述OTS材料層包括選自碲Te、硒Se、硅S1、砷As、鈦T1、硫S以及銻Sb中的至少一種，且其中，所述OTS材料層具有負微分電阻NDR特性。
6.如權(quán)利要求1所述的可變電阻存儲器件，其中，所述可變電阻材料層包括用于ReRAM的材料的PCMO層、用于PCRAM的材料的硫族化物層、用于MRAM的材料的磁性層、用于自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻RAM的材料的磁化反轉(zhuǎn)器件層、或者用于PoRAM的材料的聚合物層。
7.—種可變電阻存儲器件，包括: 半導(dǎo)體襯底；以及 多個存儲器單元，所述多個存儲器單元層疊在所述半導(dǎo)體襯底上，并且彼此串聯(lián)連接，其中，所述多個存儲器單元中的每個包括雙向閾值開關(guān)OTS和可變電阻層。
8.如權(quán)利要求7所述的可變電阻存儲器件，其中，所述OTS和所述可變電阻層彼此并聯(lián)連接。
9.如權(quán)利要求7所述的可變電阻存儲器件，其中，所述OTS包括被層疊成彼此絕緣的多個柵極，并且所述OTS被配置成基于所述多個柵極的選擇而導(dǎo)通。
10.一種可變電阻存儲器件，包括: 多個列選擇開關(guān)； 多個可變電阻存儲器單元，所述多個可變電阻存儲器單元被配置成層疊，并且通過所述多個列選擇開關(guān)來選擇；以及 位線，所述位線與所述多個可變電阻存儲器單元連接，其中，所述多個可變電阻存儲器單元中的每個包括雙向閾值開關(guān)OTS元件以及與所述OTS元件并聯(lián)連接的可變電阻器`，所述OTS元件被層疊的多個字線選擇性地驅(qū)動。
【文檔編號】H01L45/00GK103794619SQ201310192818
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月30日
【發(fā)明者】樸南均 申請人:愛思開海力士有限公司