專利名稱：用于反向?qū)懭?d單元的高正向電流二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非易失性存儲器陣列。 非易失性存儲器陣列即使在斷開對器件的供電時(shí)也能保持其存儲的數(shù)據(jù)。在一次 性可編程陣列中，每個(gè)存儲器單元被形成為初始的未編程狀態(tài)，并且可以被轉(zhuǎn)換到已編程 狀態(tài)。這種改變是永久性的，并且這種單元是不可擦除的。在其他類型的存儲器中，存儲器 單元是可擦除的，并且可以被重重寫入多次。 單元還可以變化每個(gè)單元可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)狀態(tài)的數(shù)量。數(shù)據(jù)狀態(tài)可以通過改變所 述單元的可被檢測的一些特性而被存儲，所述特性例如為在指定施加電壓下或所述單元內(nèi) 的晶體管的閾值電壓下流經(jīng)所述單元的電流。數(shù)據(jù)狀態(tài)是單元的獨(dú)特值，例如數(shù)據(jù)'0'或 數(shù)據(jù)'1'。 —些用于獲得可擦除或多狀態(tài)的單元的方案是復(fù)雜的。例如，浮柵和 S0N0S (硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅)存儲器單元通過存儲電荷操作，其中存儲的電 荷的存在、缺失或數(shù)量改變晶體管閾值電壓。這些存儲器單元是三端裝置，其相對難于制造 并且在當(dāng)代集成電路為競爭力所需的非常小的尺寸下操作。 其他存儲器單元通過改變例如硫族化物(chalcogenide)等相關(guān)外來材料的電阻 率而進(jìn)行操作。硫族化物使用起來困難并且可能對大多數(shù)半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)施都是挑戰(zhàn)。
具有可擦除或多狀態(tài)的存儲器單元的非易失性存儲器陣列將提供實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)， 所述可擦除或多狀態(tài)的存儲器單元使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料形成，其結(jié)構(gòu)易于被縮小到很小的 尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明由所附權(quán)利要求限定，而本部分內(nèi)容不應(yīng)作為對所述權(quán)利要求的限制。
—個(gè)實(shí)施例提供了一種非易失性存儲器裝置，其包括至少一個(gè)存儲器單元，所 述至少一個(gè)存儲器單元包括二極管和金屬氧化物反熔絲介電層(antifuse dielectric layer);以及電接觸至少一個(gè)存儲器單元的第一 電極和第二電極。在使用中，二極管通過響 應(yīng)于所施加的偏置或偏壓從第一電阻率狀態(tài)切換到第二電阻率狀態(tài)而作為存儲器單元的 讀/寫元件，其中所述第二電阻率狀態(tài)與所述第一電阻率狀態(tài)不同。 另一個(gè)實(shí)施例提供了一種非易失性存儲器裝置，其包括多個(gè)存儲器單元，以及電 接觸多個(gè)存儲器單元的第一電極和第二電極。所述多個(gè)存儲器單元中的每個(gè)存儲器單元包 括串聯(lián)布置在所述第一電極和所述第二電極之間的二極管和金屬氧化物反熔絲介電層，并 且所述二極管包括具有大致圓柱形形狀的多晶硅、鍺或硅_鍺p-i-r柱形二極管。
本文所述的發(fā)明的每個(gè)方面和每個(gè)實(shí)施例可以被單獨(dú)使用或相互結(jié)合使用。
現(xiàn)在將參考


優(yōu)選的方面和實(shí)施例。

圖1是說明了在存儲器陣列中的各存儲器單元之間的電隔離需要的電路圖。
圖2和圖16a是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成的多狀態(tài)或可重寫存儲器單元的透視圖，而圖16b是其側(cè)剖視圖。 圖3是包括圖2中的存儲器單元的存儲器級的一部分的透視圖。 圖4是示出了隨著在二極管兩端的反向偏置的電壓的增大，本發(fā)明的存儲器單元
的讀出電流的改變的圖。 圖5是示出了從V狀態(tài)到P狀態(tài)、從P狀態(tài)到R狀態(tài)和從R狀態(tài)到S狀態(tài)變換的存儲器單元的概率圖。 圖6是示出了從V狀態(tài)到P狀態(tài)、從P狀態(tài)到S狀態(tài)和從S狀態(tài)到R狀態(tài)變換的存儲器單元的概率圖。 圖7是示出了從V狀態(tài)到R狀態(tài)、從R狀態(tài)到S狀態(tài)和從S狀態(tài)到P狀態(tài)變換的存儲器單元的概率圖。 圖8是可以用在本發(fā)明的實(shí)施例中的豎直定向的p-i-n 二極管的透視圖。 圖9是示出了從V狀態(tài)到P狀態(tài)并且從P狀態(tài)到M狀態(tài)變換的存儲器單元的概率圖。 圖10是流經(jīng)二極管的電流與用于施加到圖5中說明的各種二極管狀態(tài)的電壓的關(guān)系圖。 圖11是示出了從V狀態(tài)到P狀態(tài)、從P狀態(tài)到R狀態(tài)和從R狀態(tài)到S狀態(tài)變換，
之后在S狀態(tài)和R狀態(tài)之間反復(fù)變換的存儲器單元的概率圖。 圖12是示出了以正向偏置來偏置S單元的偏置方案的電路圖。 圖13是示出了以反向偏置來偏置S單元的偏置方案的電路圖。 圖14說明了將單元移入數(shù)據(jù)狀態(tài)中的迭代的讀取-校驗(yàn)-寫入循環(huán)。 圖15a-15c是說明了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成存儲器級的進(jìn)程的剖視圖。 圖17a-17c是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和相比較的示例的各種存儲器單元的概率圖。
具體實(shí)施例方式
已知的是，由摻雜多結(jié)晶硅或多晶硅形成的電阻器的電阻可以通過施加電脈沖被修正，使其在穩(wěn)定的電阻狀態(tài)間調(diào)節(jié)。這種可修正的電阻器已經(jīng)被用作集成電路中的元件。
然而，在非易失性存儲器單元中使用可修正的多晶硅電阻器存儲數(shù)據(jù)狀態(tài)并不是常規(guī)方法。制造多晶硅電阻器的存儲器陣列存在許多困難。如果電阻器在大型交叉點(diǎn)陣列中被用作存儲器單元，則當(dāng)電壓被施加到選定的單元時(shí)，將在遍布所述陣列的半選定和未選定的單元中存在不期望的泄漏。例如，參考圖l，假設(shè)電壓被施加到位線B和字線A之間以設(shè)置、重置或感測選定的單元S。期望電流流過選定的單元S。然而，一些泄漏電流可以在可替換的路徑上流動(dòng)，例如在位線B和字線A之間經(jīng)過未選定的單元U1、U2和U3。可以存在許多這樣的可替換的路徑。 通過將每個(gè)存儲器單元形成為包括二極管的二端裝置或二端器件，可以極大地減
小泄漏電流。二極管具有非線性i-v(伏安)特性，在導(dǎo)通電壓之下允許非常小的電流流過
并且在導(dǎo)通電壓之上允許大致較大的電流流過。 一般地，二極管還用作在一個(gè)方向上比在
7另一個(gè)方向上更易于電流流過的單向閥。因此，只要所選定的偏置方案是確保僅所選定的單元承受高于導(dǎo)通電壓的正向電流，則沿非期望路徑(例如圖1中的U1-U2-U3潛通路)的泄漏電流可以被極大地減小。 Herner等人于2004年9月29日提交的名為"NonvolatileMemory Cell Withouta Dielectric Antifuse Having High_andLow_Impedance States，，的美國專利申請No. 10/955， 549描述了一種單片三維存儲器陣列，其中存儲器單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)以半導(dǎo)體結(jié)型二極管的多晶半導(dǎo)體材料的電阻率狀態(tài)被存儲，所述10/955， 549號專利申請?jiān)谙挛闹泻喎Q為'549申請并作為參考并入本文。這種存儲器單元是具有兩個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)的一次性可編程單元。所述二極管以高電阻率狀態(tài)形成；編程電壓的應(yīng)用或施加將所述二極管永久地變換到低電阻率狀態(tài)。 在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過施加適當(dāng)?shù)碾娒}沖，由摻雜半導(dǎo)體材料形成的存儲器元件(例如'549號申請中的半導(dǎo)體二極管)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)穩(wěn)定的電阻率狀態(tài)。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料可以從初始的高電阻率狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低電阻率狀態(tài)；之后，基于適當(dāng)?shù)碾娒}沖的應(yīng)用，可以返回到更高的電阻率狀態(tài)。這些實(shí)施例可以獨(dú)立地應(yīng)用或被結(jié)合以形成可以具有兩個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)的存儲器單元，并且該存儲器單元可以是一次性可編程的或可重寫的。 如注意到的，包括在存儲器單元中的導(dǎo)體之間的二極管允許其形成在高密度的交叉點(diǎn)存儲器陣列中。在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例中，多晶、無定形或微晶的半導(dǎo)體存儲器元件與二極管形成串聯(lián)，或更優(yōu)選地形成為二極管本身。 在本討論中，從較高電阻率狀態(tài)到較低電阻率狀態(tài)的變換被稱作設(shè)置變換，其受設(shè)置電流、設(shè)置電壓或設(shè)置脈沖的影響；而從較低電阻率狀態(tài)到較高電阻率狀態(tài)的反向變換被稱作重置變換，其受重置電流、重置電壓或重置脈沖的影響。 在優(yōu)選的一次性可編程實(shí)施例中，多晶半導(dǎo)體二極管與介電斷裂反熔絲(ruptureantifuse)配對，介電斷裂反熔絲例如為高介電常數(shù)材料反熔絲層，如以下更詳細(xì)的說明。
圖2說明了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例形成的存儲器單元。底部導(dǎo)體12由導(dǎo)電材料形成，導(dǎo)電材料例如為鎢，并且在第一方向上延伸。阻擋層和粘合層可以包括在底部導(dǎo)體12
中。多晶半導(dǎo)體二極管2具有底部重?fù)诫sn型區(qū)域4 ;非有意摻雜的本征區(qū)域6 ;以及頂
部重?fù)絽^(qū)域8 ;然而這種二極管的定向可以被反轉(zhuǎn)。無論其定向如何，這種二極管均被稱作p-i-n型二極管。介電斷裂反熔絲14以與二極管2串聯(lián)的方式提供。頂部導(dǎo)體16可以與底部導(dǎo)體12相同的方式形成并且與底部導(dǎo)體12具有相同的材料，并且該頂部導(dǎo)體16在與第一方向不同的第二方向延伸。多晶半導(dǎo)體二極管2被垂直置于底部導(dǎo)體12和頂部導(dǎo)體16之間。多晶半導(dǎo)體二極管2以高電阻率狀態(tài)形成。這種存儲器單元可以形成在適當(dāng)?shù)囊r底上，例如形成在單晶硅晶片上。圖3示出了形成在交叉點(diǎn)陣列中的這種裝置或器件的存儲器級的一部分，其中二極管2被置于底部導(dǎo)體12和頂部導(dǎo)體16之間(在此圖示中反熔絲14被省略)。多個(gè)存儲器級可以被堆疊在襯底之上以形成高密度的單片三維存儲器陣列。 在本討論中，半導(dǎo)體材料的非有意摻雜的區(qū)域被描述為本征區(qū)域。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本征區(qū)域?qū)嶋H上可以包括低濃度P型或n型摻雜劑。摻雜劑可以從相鄰區(qū)域擴(kuò)散到本征區(qū)域中，或者由于來自更早的沉積的污染物在沉積期間呈現(xiàn)在沉積腔室中。將進(jìn)一步理解的是沉積的本征半導(dǎo)體材料(例如硅)可以包括使得其表現(xiàn)為輕n型摻雜的缺陷。使用術(shù)語"本征"來描述硅、鍺、硅-鍺合金或一些其他半導(dǎo)體材料不意味著暗示該區(qū)域不包含其他摻雜劑，也不意味著這樣的區(qū)域是理想的電中性的。 例如硅等摻雜的多晶或微晶半導(dǎo)體材料的電阻率可以通過施加適當(dāng)?shù)碾娒}沖在穩(wěn)定狀態(tài)之間改變。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置變換有利地由正向偏置或偏壓下的二極管執(zhí)行，同時(shí)重置變換最易于由反向偏置下的二極管實(shí)現(xiàn)和控制。然而，在一些情況下，設(shè)置變換可以由反向偏置或偏壓下的二極管實(shí)現(xiàn)，而重置變換由正向偏置下的二極管實(shí)現(xiàn)。 半導(dǎo)體切換行為是復(fù)雜的。對于二極管，設(shè)置變換和重置變換均由正向偏置下的二極管實(shí)現(xiàn)。 一般地，施加到正向偏置下的二極管的重置脈沖(其足以將構(gòu)成二極管的多晶半導(dǎo)體材料從指定的電阻率狀態(tài)切換到更高的電阻率狀態(tài))的幅度將低于相應(yīng)的設(shè)置脈沖(其將相同的多晶硅材料從相同的電阻率狀態(tài)切換到更低的電阻率狀態(tài))的幅度并且將具有更寬的脈沖寬度。 在反向偏置下的切換顯示出了獨(dú)特的行為。假設(shè)如圖2中所示的多晶硅p-i-n型二極管在反向偏置下承受相對較大的切換脈沖。在應(yīng)用切換脈沖后，施加更小的讀取脈沖，例如2伏特，并且測量在該讀出電壓下流經(jīng)所述二極管的電流，該電流稱為讀出電流。隨著反向偏置下的切換脈沖的電壓在后續(xù)脈沖中的增大，在2伏特電壓的后續(xù)讀出電流的改變?nèi)鐖D4所示?？梢钥吹狡鸪蹼S著切換脈沖的反向電壓和電流的增大，當(dāng)讀出電壓在每個(gè)切換脈沖后施加時(shí)，讀出電流增大，即半導(dǎo)體材料(在此情況下為硅)的初始變換是在設(shè)置方向中向著更低的電阻率。 一旦切換脈沖達(dá)到特定的反向偏置電壓，即圖4中的點(diǎn)K，在本示例中約為-14. 6伏特，則讀出電流突然開始下降，同時(shí)實(shí)現(xiàn)重置并且硅的電阻率增大。當(dāng)開始施加反向偏置切換脈沖時(shí)，使得設(shè)置趨勢被反向并且二極管的硅開始重置的切換電壓基于例如構(gòu)成二極管的硅的電阻率狀態(tài)而變化。可以看到之后通過選擇適當(dāng)?shù)碾妷?，?gòu)成二極管的半導(dǎo)體材料的設(shè)置或重置可以由反向偏置下的二極管實(shí)現(xiàn)。 本發(fā)明的存儲器單元的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)對應(yīng)于構(gòu)成二極管的多晶或微晶半導(dǎo)體材料的電阻率狀態(tài)，當(dāng)施加讀出電壓時(shí)，所述獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)和電阻率狀態(tài)通過檢測流經(jīng)存儲器單元(在頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間)的電流而進(jìn)行區(qū)分。優(yōu)選地，在任一個(gè)獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)和任何一個(gè)不同的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)之間流動(dòng)的電流至少差二倍，以允許易于檢測到各狀態(tài)之間的差異。 所述存儲器單元可以被用作一次性可編程單元或可重寫存儲器單元，并且可以具有兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)。所述單元可以在正向或反向偏置下以任意順序從其任意數(shù)據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其任意其他數(shù)據(jù)狀態(tài)。在使用中，二極管通過響應(yīng)于施加的偏置從第一電阻率狀態(tài)切換到與第一電阻率狀態(tài)不同的第二電阻率狀態(tài)而作為存儲器單元的讀/寫元件。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，已編程的二極管的讀出電流可以通過使用高介電常數(shù)(k)的反熔絲而增大。與較低介電常數(shù)的Si(^反熔絲相比，這些反熔絲顯示為使得已編程的讀出電流在指定讀出電壓下(例如在2V讀出電壓下)增大50%。這導(dǎo)致反向?qū)懭氪鎯ζ鲉卧囊丫幊虪顟B(tài)電流和重置狀態(tài)電流之間的更大差值。 優(yōu)選地，反熔絲包含金屬氧化物反熔絲介電層，例如具有高于3.9的介電常數(shù)的層，該介電常數(shù)例如為約4. 5至約8。還可以使用具有大于3. 9的介電常數(shù)的其他介電層。金屬氧化物材料可以是化學(xué)計(jì)量的或非化學(xué)計(jì)量的材料。例如，金屬氧化物可以是選自以下材料中的一種材料或多于一種材料的混合氧化鉿、氧化鋁、氧化鈦、氧化鑭、氧化鉭、氧化釕、鋯硅氧化物、鋁硅氧化物、鉿硅氧化物、鉿鋁氧化物、鉿硅氮氧化物、鋯硅鋁氧化物、鉿鋁硅氧化物、鉿鋁硅氮氧化物或鋯硅鋁氮氧化物。這些材料可以具有以下化學(xué)式Hf02，A1203， Zr02， Ti02， La203， Ta205， Ru02， ZrSi0x， AlSi0x， HfSi0x， HfA10x， HfSiON， ZrSiA10x，HfSiA10x， HfSiA10N和ZrSiA10N，并且可以與Si02和/或SiNx結(jié)合或組合。氧化鉿或氧化鋁是優(yōu)選的。 優(yōu)選地，金屬氧化物反熔絲介電層與二極管的p型區(qū)域相鄰。所述反熔絲介電層優(yōu)選為具有約10埃至約100埃的厚度，例如約30埃至約40埃。 將提供一些優(yōu)選實(shí)施例的示例。然而，應(yīng)該理解這些示例無意作為限制。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯然的是對包括二極管和多晶或微晶半導(dǎo)體材料的二端器件(two-terminaldevice)進(jìn)行編程的其他方法將落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
一次性可編程多級單元 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，由多晶半導(dǎo)體材料形成的二極管和介電斷裂反熔絲被串聯(lián)置于頂部導(dǎo)體和底部導(dǎo)體之間。二端器件被用作一次性可編程多級單元，在優(yōu)選的實(shí)施例中具有三個(gè)或四個(gè)獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)。 優(yōu)選的存儲器單元顯示在圖2中。二極管2優(yōu)選由多晶或微晶半導(dǎo)體材料形成，
例如硅、鍺或硅和/或鍺的合金。二極管2最優(yōu)選為多晶硅。在本示例中，底部重?fù)诫s區(qū)域
4是n型的而頂部重?fù)诫s區(qū)域8是p型的，雖然二極管的極性可以被反轉(zhuǎn)。存儲器單元包括
頂部導(dǎo)體的一部分、底部導(dǎo)體的一部分和二極管，所述二極管置于導(dǎo)體之間。 在形成時(shí)，多晶硅二極管2處于高電阻率狀態(tài)，并且介電斷裂反熔絲14是完好的。
圖5是示出了包含二氧化硅反熔絲介電層的多個(gè)存儲器單元在不同狀態(tài)下的電流的概率
圖。參考圖5，當(dāng)例如2伏特的讀出電壓被施加到頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間時(shí)(二極
管2處于正向偏置)，在頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間流動(dòng)的讀出電流優(yōu)選為在納安的范
圍內(nèi)，例如小于約5納安。圖5中的區(qū)域V對應(yīng)于存儲器單元的第一數(shù)據(jù)狀態(tài)。對于陣列
中的一些存儲器單元，這種單元將不承受設(shè)置或重置脈沖，并且這種狀態(tài)將被讀取作為存
儲器單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。這種第一數(shù)據(jù)狀態(tài)將被稱為V狀態(tài)。 優(yōu)選為在二極管2處于正向偏置下的第一電脈沖被施加到頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間。該脈沖例如在約8伏特至約12伏特之間，例如約為10伏特。所述電流在例如約80微安和約200微安之間。脈沖寬度優(yōu)先為在約100納秒和約500納秒之間。這種第一電脈沖切斷介電斷裂反熔絲14并且將二極管2的半導(dǎo)體材料從第一電阻率狀態(tài)切換到第二電阻率狀態(tài)，所述第二狀態(tài)的電阻率低于第一狀態(tài)的電阻率。所述第二數(shù)據(jù)狀態(tài)將被稱為P狀態(tài)，并且這種變換在圖5中被標(biāo)記為"V — P"。在2伏特的讀出電壓下在頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間流動(dòng)的電流是約IO微安或更多。構(gòu)成二極管2的半導(dǎo)體材料的電阻率被縮減為原電阻率的約1/1000至約1/2000。在其他實(shí)施例中，電阻率的改變較小，但在任意數(shù)據(jù)狀態(tài)和任意其他數(shù)據(jù)狀態(tài)之間將至少相差二倍，優(yōu)選為至少相差三倍或五倍，并且更典型地相差100倍或更大。陣列中的一些存儲器單元將在這種數(shù)據(jù)狀態(tài)下讀取，并且
10將不承受額外的設(shè)置或重置脈沖。這種第二數(shù)據(jù)狀態(tài)將被稱為P狀態(tài)。
例如，2V電壓下的讀出電流可以從未編程狀態(tài)下的1 X 10—8A增
大到編程脈沖后的至少1X10—5A。下面的表格顯示出增大編程電壓導(dǎo) 致更高的讀出電流。表格中的最后一列顯示出讀出電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
編程 己編程
脈沖電壓 +2￥下的讀出電流 ig
+6.4 V 1,1X1(T5A 6.1x10" A
+7.4 V 1.7X10'5A 7.2x10'6 A
+8.4 V 1.8X10-5A 5.4x10" A 應(yīng)該注意的是，在上面表格中顯示的讀出電流用于圖2中所示的具有互連和二氧 化硅反熔絲的單元。如果去除互連并且使用金屬氧化物反熔絲，則讀出電流會(huì)更高。例如， 對于8. 4V的編程電壓，不具有互連的單元在至少+1. 5V的讀出電壓(例如為+1. 5V至+2V) 下的讀出電流至少為3. 5X10—5A。期望的是進(jìn)一步增大編程電壓將進(jìn)一步提供增大的讀出 電流。例如，將編程電壓從8. 4V增大到10V期望在讀出電流中產(chǎn)生約70X的增量，從而使不 具有互連的單元在2V讀出電壓下的讀出電流約為6X 10—5A。如上所述，多個(gè)編程脈沖(例 如2至10個(gè)脈沖，再如3-5個(gè)脈沖)可以被施加到二極管。此外，金屬氧化物反熔絲介電 層的使用進(jìn)一步增大了讀出電流，這將在以下參考圖17a-17c加以討論。
第二電脈沖優(yōu)選在二極管2處于反向偏置下被施加到頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12 之間。例如，這種脈沖在約_8伏特和約-14伏特之間，優(yōu)選為在約-10伏特和約-12伏特 之間，優(yōu)選為約-11伏特。所述電流例如在約80納安和約200納安之間。所述脈沖寬度例 如在約100納秒和約10微秒之間，優(yōu)選為在約100納秒和約1微秒之間，最為優(yōu)選地在約 200納秒和約800納秒之間。這種第二電脈沖將半導(dǎo)體材料的二極管2從第二電阻率狀態(tài) 切換到第三電阻率狀態(tài)，所述第三電阻率狀態(tài)的電阻率高于第二電阻率狀態(tài)的電阻率。在2 伏特的讀出電壓下流經(jīng)頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間的電流在約10納安和約500納安 之間，優(yōu)選為在約100納安和約500納安之間。陣列中的一些存儲器單元將在這種數(shù)據(jù)狀 態(tài)下讀取，并且將不承受額外的設(shè)置或重置脈沖。這種第三數(shù)據(jù)狀態(tài)將被稱為R狀態(tài)，并且 這種變換在圖5中被標(biāo)記為"P — R"。 圖10是圖5中說明的用于各種二極管狀態(tài)的讀出電流與讀出電壓關(guān)系的圖。二極 管起初開始于低讀出電流狀態(tài)V(稱為未編程或"原始"狀態(tài))。所述二極管由高正向偏置 脈沖推進(jìn)到已編程狀態(tài)P，優(yōu)選在產(chǎn)品被銷售前制造該二極管的工廠中進(jìn)行，此時(shí)不需要考 慮供電。 一旦產(chǎn)品被售出，則隨后二極管通過反向偏置編程脈沖被推進(jìn)到重置狀態(tài)R中。已 編程狀態(tài)P的讀出電流和重置狀態(tài)R的讀出電流之間的差值組成了存儲器單元的"窗口 "， 如圖10所示。大編程電壓和/或多個(gè)編程脈沖允許該窗口盡可能大以便制造堅(jiān)固。
為了實(shí)現(xiàn)第四數(shù)據(jù)狀態(tài)，第三電脈沖優(yōu)選在二極管2處于正向偏置下被施加到頂 部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間。這種脈沖例如在約8伏特和約12伏特之間，例如約為10伏 特，其中電流在約5微安和約20微安之間。此第三電脈沖將半導(dǎo)體材料的二極管2從第三 電阻率狀態(tài)切換到第四電阻率狀態(tài)，所述第四電阻率狀態(tài)的電阻率低于第三電阻率狀態(tài)的 電阻率，并且優(yōu)選高于第二電阻率狀態(tài)的電阻率。在2伏特的讀出電壓下流經(jīng)頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間的電流在約1. 5微安和約4. 5微安之間。陣列中的一些存儲器單元將 在這種數(shù)據(jù)狀態(tài)下被讀取，該狀態(tài)被稱為S狀態(tài)，并且這種變換在圖5中被標(biāo)記為"R — S"。
在所述讀出電壓(例如為2伏特)下的任何兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)狀態(tài)之間的電流優(yōu)選至 少相差二倍。例如，數(shù)據(jù)狀態(tài)R下的任意單元的讀出電流優(yōu)選為至少二倍于數(shù)據(jù)狀態(tài)V下 的任意單元的讀出電流，數(shù)據(jù)狀態(tài)S下的任意單元的讀出電流優(yōu)選為至少二倍于數(shù)據(jù)狀態(tài) R下的任意單元的讀出電流，并且數(shù)據(jù)狀態(tài)P下的讀出電流優(yōu)選為至少二倍于數(shù)據(jù)狀態(tài)S下 的任意單元的讀出電流。例如，數(shù)據(jù)狀態(tài)R下的讀出電流可以二倍于數(shù)據(jù)狀態(tài)V下的讀出 電流，數(shù)據(jù)狀態(tài)S下的讀出電流可以二倍于數(shù)據(jù)狀態(tài)R下的讀出電流，并且數(shù)據(jù)狀態(tài)P下的 讀出電流可以二倍于數(shù)據(jù)狀態(tài)S下的讀出電流。如果范圍被限定得較小，則差值可以相當(dāng) 大。例如，如果最高電流V狀態(tài)單元可以具有5納安的讀出電流并且最低電流R狀態(tài)單元 可以具有100納安的讀出電流，則電流的差值至少達(dá)20倍。通過選擇其他限制，可以確保 相鄰存儲器狀態(tài)間的讀出電流的差值將至少達(dá)三倍。 如以下所述，可以進(jìn)行迭代的讀取_校驗(yàn)_寫入處理以確保存儲器單元在設(shè)置或 重置脈沖之后處于多個(gè)定義的數(shù)據(jù)狀態(tài)中的一個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)中，而不是處于所述多個(gè)定義的 數(shù)據(jù)狀態(tài)之間。 至此，已經(jīng)討論了一個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)中的最高電流和下一個(gè)最高的相鄰數(shù)據(jù)狀態(tài)中的 最低電流之間的差值。在相鄰的數(shù)據(jù)狀態(tài)下大多數(shù)單元中的讀出電流的差值仍將較大，例 如在V狀態(tài)下的存儲器單元可以具有1納安的讀出電流，在R狀態(tài)下的單元可以具有100納 安的讀出電流，在S狀態(tài)下的單元可以具有2微安(2000納安)的讀出電流，并且在P狀態(tài) 下的單元可以具有20微安的讀出電流。在每個(gè)相鄰狀態(tài)下的這些電流相差I(lǐng)O倍或更多。
已描述了具有四個(gè)獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)的存儲器單元。為了幫助區(qū)分各數(shù)據(jù)狀態(tài)，優(yōu)選 選擇三個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)而不是四個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)。例如，三狀態(tài)存儲器單元可以形成為數(shù)據(jù)狀態(tài)V， 設(shè)置為數(shù)據(jù)狀態(tài)P，之后重置為數(shù)據(jù)狀態(tài)R。這種單元將不具有第四數(shù)據(jù)狀態(tài)S。在這種情 況下，相鄰數(shù)據(jù)狀態(tài)間的差值，例如R數(shù)據(jù)狀態(tài)和P數(shù)據(jù)狀態(tài)之間的差值可以相當(dāng)大。
如前所述的一次性可編程存儲器單元的存儲器陣列可以被如前所述地編程，每個(gè) 單元被編程到三個(gè)獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)中的一個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)(在一個(gè)實(shí)施例中)或者被編程到四個(gè) 獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)中的一個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)(在可替換的實(shí)施例中)。這些僅是示例，顯然可以具有多 于三個(gè)或四個(gè)的獨(dú)特電阻率狀態(tài)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)狀態(tài)。 然而，在一次性可編程存儲器單元的存儲器陣列中，所述單元可以以多種形式編 程。例如，參考圖6，圖2中的存儲器單元可以形成為第一狀態(tài)，即V狀態(tài)。第一電脈沖優(yōu)選 在正向偏置下切斷反熔絲14并且將多晶硅二極管從第一電阻率狀態(tài)切換到低于所述第一 電阻率狀態(tài)的第二電阻率狀態(tài)，將存儲器單元置于P狀態(tài)中，該P(yáng)狀態(tài)在本示例中為最低的 電阻率狀態(tài)。第二電脈沖優(yōu)選在反向偏置下將多晶硅二極管從第二電阻率狀態(tài)切換到第三 電阻率狀態(tài)，所述第三電阻率狀態(tài)的電阻率高于第二電阻率狀態(tài)的電阻率，將存儲器單元 置于S狀態(tài)中。第三電脈沖同樣優(yōu)選在反向偏置下將多晶硅二極管從第三電阻率狀態(tài)切換 到第四電阻率狀態(tài)，所述第三電阻率狀態(tài)的電阻率高于第二電阻率狀態(tài)的電阻率，將存儲 器單元置于R狀態(tài)。對于任意指定存儲器單元，任意數(shù)據(jù)狀態(tài)即V狀態(tài)、R狀態(tài)、S狀態(tài)和 P狀態(tài)可以被讀取作為存儲器單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。每個(gè)變換均標(biāo)記在圖6中。顯示了四個(gè)獨(dú) 特狀態(tài)，可以按需要具有三個(gè)或者多于四個(gè)的狀態(tài)。
在其他實(shí)施例中，每個(gè)連續(xù)的電脈沖均可以將半導(dǎo)體材料的二極管切換到持續(xù)較 低的電阻率狀態(tài)。例如，如圖7所示，存儲器單元可以從初始的V狀態(tài)進(jìn)行到R狀態(tài)，從R 狀態(tài)進(jìn)行到S狀態(tài)，并且從S狀態(tài)進(jìn)行到P狀態(tài)，其中對于每個(gè)狀態(tài)，讀出電流至少二倍于 之前狀態(tài)的讀出電流，每個(gè)狀態(tài)對應(yīng)于一獨(dú)特的數(shù)據(jù)狀態(tài)。在本示例中，脈沖可以在正向或 反向偏置下施加。在可替換的實(shí)施例中，可以具有三個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)或者多于四個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)。
在一個(gè)實(shí)施例中，存儲器單元包括圖8中所示的多晶硅二極管2或微晶二極管2， 該二極管2包括底部重?fù)诫sp型區(qū)域4、中部本征或輕摻雜區(qū)域6以及頂部重?fù)诫sn型區(qū)域 8。如在前述實(shí)施例中，這種二極管2可以與介電斷裂反熔絲串聯(lián)布置，它們被布置在頂部 導(dǎo)體和底部導(dǎo)體之間。底部重?fù)诫sP型區(qū)域4可以是原位摻雜的，即通過在多晶硅沉積期 間流動(dòng)提供P型摻雜劑(例如硼)的氣體而摻雜，從而使摻雜劑原子結(jié)合到其形成的薄膜 中。 參考圖9，已發(fā)現(xiàn)這種存儲器單元形成為V狀態(tài)，其中在2伏特的讀出電壓下的頂 部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間的電流小于約80納安。第一電脈沖優(yōu)選為在例如約8伏特 的正向偏置下施加，從而切斷介電斷裂反熔絲14，并且將多晶硅二極管2從第一電阻率狀 態(tài)切換到第二電阻率狀態(tài)，所述第二電阻率狀態(tài)的電阻率低于第一電阻率狀態(tài)的電阻率， 將存儲器單元置于數(shù)據(jù)狀態(tài)P中。在數(shù)據(jù)狀態(tài)P中，在所述讀出電壓下的頂部導(dǎo)體16和底 部導(dǎo)體12之間的電流在約l微安和約4微安之間。第二電脈沖優(yōu)選在反向偏置下施加，從 而將多晶硅二極管2從第二電阻率狀態(tài)切換到第三電阻率狀態(tài)，所述第三電阻率狀態(tài)的電 阻率低于第一電阻率狀態(tài)的電阻率。第三電阻率狀態(tài)對應(yīng)于數(shù)據(jù)狀態(tài)M。在數(shù)據(jù)狀態(tài)M中， 在所述讀出電壓下的頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間的電流在約IO納安之上。如之前的 實(shí)施例所述，相鄰數(shù)據(jù)狀態(tài)中的任意單元之間(最高電流單元的狀態(tài)V和最低電流單元的 狀態(tài)P之間，或最高電流單元的狀態(tài)P和最低電流單元的狀態(tài)M之間)的電流的差值優(yōu)選 至少相差達(dá)二倍，優(yōu)選相差達(dá)三倍或更多。任意數(shù)據(jù)狀態(tài)V、 P或M可以被檢測作為存儲器 單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。 圖4示出了當(dāng)半導(dǎo)體二極管承受反向偏置時(shí)， 一般地，半導(dǎo)體材料起初經(jīng)歷到較 低的電阻率的設(shè)置變換，之后，隨著電壓的增大，經(jīng)歷到較高的電阻率的重置變換。對于這 種特定的二極管，其具有頂部重?fù)诫sn型區(qū)域8并且優(yōu)選具有由原位摻雜p型摻雜劑形成 的底部重?fù)诫s區(qū)域4，通過增大反向偏置電壓而從設(shè)置變換到重置變換的切換不像其他實(shí) 施例中的二極管那樣突然或急速地發(fā)生。這意味著對于這種二極管來說，反向偏置下的設(shè) 置變換更易于控制。
可重寫存儲器單元 在實(shí)施例的其他設(shè)置中，存儲器單元表現(xiàn)為可重寫存儲器單元，其可以在兩個(gè)或 者三個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)之間反復(fù)切換。 參考圖11，在一個(gè)實(shí)施例中，存儲器單元形成為高電阻率狀態(tài)V，其中在2伏特電 壓下的電流約為5納安或更小。圖11中所示的曲線是關(guān)于具有二氧化硅反熔絲的單元的。 對于大多數(shù)可重寫的實(shí)施例，初始的V狀態(tài)不用做存儲器單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。第一電脈沖優(yōu) 選在二極管2被正向偏置的情況下被施加到頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間。這種脈沖例 如在約8伏特和約12伏特之間，優(yōu)選為約10伏特。這種第一電脈沖將半導(dǎo)體材料的二極管2從第一電阻率狀態(tài)切換到第二電阻率狀態(tài)P，所述第二狀態(tài)的電阻率低于第一狀態(tài)的 電阻率。在優(yōu)選實(shí)施例中，P狀態(tài)同樣不作為存儲器單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。在其他實(shí)施例中，P 狀態(tài)將作為存儲器單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。 第二電脈沖優(yōu)選在二極管2被反向偏置的情況下被施加到頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo) 體12之間。這種脈沖例如在約_8伏特和約-14伏特之間，優(yōu)選為在約_9伏特和約-13伏
特之間，更優(yōu)選為約-io伏特或-ii伏特。所需電壓將隨本征區(qū)域的厚度而變化。這種第
二電脈沖將半導(dǎo)體材料的二極管2從第二電阻率狀態(tài)切換到第三電阻率狀態(tài)R，所述第三 狀態(tài)的電阻率高于第二狀態(tài)的電阻率。在優(yōu)選實(shí)施例中，R狀態(tài)對應(yīng)于存儲器單元的一數(shù) 據(jù)狀態(tài)。 第三電脈沖可以被施加到頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間，其優(yōu)選在二極管2被 正向偏置的情況下施加。這種脈沖例如在約5. 5伏特和約9伏特之間，優(yōu)選為約6. 5伏特， 其中電流在約10微安和約200微安之間，優(yōu)選為在約50微安和約100微安之間。這種第 三電脈沖將半導(dǎo)體材料的二極管2從第三電阻率狀態(tài)R切換到第四電阻率狀態(tài)S，所述第四 狀態(tài)的電阻率低于第三狀態(tài)的電阻率。在優(yōu)選實(shí)施例中，S狀態(tài)對應(yīng)于存儲器單元的數(shù)據(jù) 狀態(tài)。 在這種可重寫的兩狀態(tài)的實(shí)施例中，R狀態(tài)和S狀態(tài)被感測或讀取為數(shù)據(jù)狀態(tài)。存 儲器單元可以在這兩個(gè)狀態(tài)間反復(fù)切換。例如，第四電脈沖優(yōu)選在二極管2被反向偏置的 情況下將半導(dǎo)體材料的二極管從第四電阻率狀態(tài)S切換到第五電阻率狀態(tài)R，該第五電阻 率狀態(tài)R與第三電阻率狀態(tài)R基本相同。第五電脈沖優(yōu)選在二極管2被正向偏置的情況下 將半導(dǎo)體材料的二極管從第五電阻率狀態(tài)R切換到第六電阻率狀態(tài)S，該第六電阻率狀態(tài)S 與第四電阻率狀態(tài)S基本相同，以此類推?？赡芨y的是將存儲器單元恢復(fù)到初始的V狀 態(tài)和第二狀態(tài)P。因此，這些狀態(tài)不能在可重寫存儲器單元中被用作數(shù)據(jù)狀態(tài)?？赡軆?yōu)選 的是使將單元從初始V狀態(tài)切換到P狀態(tài)的第一 電脈沖和將單元從P狀態(tài)切換到R狀態(tài)的 第二電脈沖在存儲器陣列到達(dá)終端用戶前被執(zhí)行，例如，在工廠或測試設(shè)備中執(zhí)行，或者通 過銷售前的經(jīng)銷商執(zhí)行。在其他實(shí)施例中，可能優(yōu)選的是僅使將單元從初始V狀態(tài)切換到 P狀態(tài)的第一電脈沖在存儲器陣列到達(dá)終端用戶前被執(zhí)行。 如從圖11中所見，在所提供的示例中，在例如2伏特的讀出電壓下，一個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài) 中的任意單元和相鄰數(shù)據(jù)狀態(tài)中的任意單元之間的在頂部導(dǎo)體16和底部導(dǎo)體12之間流動(dòng) 的電流之間的差值至少相差三倍，在這種情況下，是(在約10納安和約500納安之間的)R 數(shù)據(jù)狀態(tài)和(在約1.5微安和約4.5微安之間的)S數(shù)據(jù)狀態(tài)?；跒槊總€(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)選定 的范圍，差值可以相差達(dá)二倍、三倍、五倍或更多。 在可替換的實(shí)施例中，可重寫存儲器單元可以以任意順序在三個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)狀 態(tài)間切換。設(shè)置變換或重置變換可以由在正向偏置或反向偏置下的二極管執(zhí)行。
注意在所述的一次性可編程和可重寫實(shí)施例中，數(shù)據(jù)狀態(tài)均對應(yīng)于構(gòu)成二極管的 多晶或微晶半導(dǎo)體材料的電阻率狀態(tài)。所述數(shù)據(jù)狀態(tài)不對應(yīng)于電阻率切換金屬氧化物或氮 化物的電阻率狀態(tài)，如Herner等人于2006年3月31日提交的名為"Nonvolatile Memory CellComprising a Diode and a Resistance-Switching Material ，，的美國專利申請 No. 11/395,995中所述，該專利申請歸本發(fā)明的受讓人所有并且作為參考并入本文。
14反向偏置下的設(shè)置和重置 在根據(jù)至此所述的實(shí)施例形成和編程的存儲器單元的陣列中，與正向偏置步驟相 比，使單元承受較大反向偏置電壓的任意步驟均具有減小的泄漏電流。 參考圖12，假設(shè)10伏特的電壓在正向偏置中被施加到選定的單元S兩端(實(shí)際使 用的電壓將依賴于許多因素，包括所述單元的構(gòu)造、摻雜劑等級、本征區(qū)域的高度等，10伏 特僅作為示例)。位線BO被設(shè)置為IO伏特并且字線WO被設(shè)置為接地。為了確保半選定的 單元F(其與選定的單元S共享位線BO)始終低于二極管的導(dǎo)通電壓，字線Wl被設(shè)置為低 于但相當(dāng)接近位線BO的電壓，例如字線Wl可以被設(shè)置為9. 3伏特，從而使0. 7伏特被施加 到F單元兩端(僅示出了一個(gè)F單元，但是可以具有數(shù)百、數(shù)千或更多個(gè)F單元)。類似地， 為了確保半選定的單元H(其與選定的單元S共享字線W0)始終低于二極管的導(dǎo)通電壓，位 線Bl被設(shè)置為高于但相當(dāng)接近于字線W0的電壓，例如位線Bl可以被設(shè)置為0. 7伏特，從 而使0. 7伏特被施加到單元H兩端(同樣，可以具有數(shù)千個(gè)H單元)。不與選定的單元S共 享字線W0或位線B0的未選定的單元U承受-8. 6伏特的電壓。由于可以具有無數(shù)個(gè)未選 定的單元U，因此這導(dǎo)致陣列內(nèi)顯著的泄漏電流。 圖13示出了將較大的反向偏置(例如作為重置脈沖)施加到存儲器單元兩端的 有利的偏置方案。位線B0被設(shè)置為-5伏特并且字線W0被設(shè)置為5伏特，從而使-10伏 特被施加到選定的單元S兩端，所述二極管被反向偏置。在低至足以不引起這些單元的意 外設(shè)置或重置的反向偏置下，將字線Wl和位線Bl設(shè)置為接地使得半選定的單元F和H承 受-5伏特電壓。反向偏置下的設(shè)置或重置一般似乎發(fā)生在或接近二極管被反向擊穿的電 壓，該電壓一般高于_5伏特。通過這種方案，未選定的單元U兩端不存在電壓，從而不會(huì)導(dǎo) 致反向泄漏。 圖13中的偏置方案僅是一個(gè)示例，顯然可以使用許多其他方案。例如，位線BO可 以被設(shè)置為0伏特，字線WO被設(shè)置為10伏特，并且位線Bl和字線Wl均被設(shè)置為_5伏特。 選定的單元S兩端的電壓、半選定的單元H和F兩端的電壓和未選定的單元U兩端的電壓在 圖13中的方案中相同。在其他示例中，位線BO被設(shè)置為接地，字線WO被設(shè)置為IO伏特， 并且位線Bl和字線Wl均被設(shè)置為5伏特。
迭代的設(shè)置和重置 至此討論了施加適當(dāng)?shù)碾娒}沖以將半導(dǎo)體材料的二極管從一個(gè)電阻率狀態(tài)切換 到不同的電阻率狀態(tài)，從而在兩個(gè)獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)之間切換存儲器單元。實(shí)踐中，這些設(shè)置和 重置步驟可以是迭代的處理。 如所述，在讀取相鄰數(shù)據(jù)狀態(tài)期間的電流之間的差值優(yōu)選為至少相差達(dá)二倍，在 許多實(shí)施例中，可以優(yōu)選地為每個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)建立電流范圍，這些電流范圍相隔三倍、五倍、 十倍或更多。 參考圖14，如所述，在2伏特的讀出電壓下，數(shù)據(jù)狀態(tài)V可以被定義為讀出電流為 5納安或更小，數(shù)據(jù)狀態(tài)R被定義為讀出電流在約10納安和約500納安之間，數(shù)據(jù)狀態(tài)S被 定義為讀出電流在約1. 5微安和約4. 5微安之間，并且數(shù)據(jù)狀態(tài)P被定義為讀出電流在約 IO微安之上。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到這些僅是示例。在其他實(shí)施例中，例如，數(shù)據(jù)狀態(tài)V 可以被定義在較小范圍中，其中在2伏特的讀出電壓下，讀出電流約為5納安或更小。實(shí)際
15讀出電流將隨著單元的特性、陣列的構(gòu)造、選定的讀出電壓以及許多其他因素而變化。
假設(shè)一次性可編程存儲器單元處于數(shù)據(jù)狀態(tài)P中。反向偏置的電脈沖被施加到存 儲器單元以將所述單元切換到數(shù)據(jù)狀態(tài)S中。然而，在一些情況下，可能在施加電脈沖后， 讀出電流未處于期望范圍內(nèi)，即半導(dǎo)體材料的二極管的電阻率狀態(tài)高于或低于期望值。例 如，假設(shè)在施加電脈沖后，存儲器單元的讀出電流處于圖中所示的在S狀態(tài)和P狀態(tài)電流范 圍之間的Q點(diǎn)。 在電脈沖被施加以將存儲器單元切換到期望數(shù)據(jù)狀態(tài)后，存儲器單元可以被讀取 以確定是否達(dá)到了期望的數(shù)據(jù)狀態(tài)。如果未達(dá)到期望的數(shù)據(jù)狀態(tài)，則施加額外的脈沖。例 如，當(dāng)電流Q被感測時(shí)，額外的重置脈沖被施加以增大半導(dǎo)體材料的電阻率，從而將讀出電 流減小到對應(yīng)于S數(shù)據(jù)狀態(tài)的范圍中。如前所述，這種設(shè)置脈沖可以在正向偏置或反向偏 置的情況下被施加。額外的一個(gè)或多個(gè)脈沖可以具有比原始脈沖更高的振幅或幅值(電壓 或電流)或者更長或更短的脈沖寬度。在額外設(shè)置脈沖后，所述單元被再次讀取，之后設(shè)置 或重置脈沖被適當(dāng)?shù)厥┘又敝磷x出電流處于期望范圍中。 在例如所描述的包括二極管的存儲器單元等二端器件中，特別有利的是讀取以便 按需要校驗(yàn)設(shè)置或重置并且進(jìn)行調(diào)節(jié)。在二極管兩端施加較大的反向偏置可能損壞該二極 管，因此當(dāng)對處于反向偏置下的二極管執(zhí)行設(shè)置或重置時(shí)，有利的是最小化反向偏置電壓。
制造考慮因素 Her證等人于2006年6月8日提交的名為"Nonvolatile MemoryCell Operating by Increasing Order in Polycrystalline SemiconductorMaterial，，的美國專利申請 No. 11/148,530以及Herner于2004年9月29日提交的名為"Memory Cell Comprising a Semiconductor J皿ctionDiode Crystallized Adjacent to a Silicide，，的美國專利申 請No. 10/954， 510均為本發(fā)明的受讓人所有并且作為參考并入本文，這些申請描述了鄰近 適當(dāng)?shù)墓杌锏亩嗑Ч杞Y(jié)晶影響多晶硅的特性。特定的金屬硅化物，例如硅化鈷和硅化鈦， 具有與硅的結(jié)構(gòu)非常接近的晶格結(jié)構(gòu)。當(dāng)無定形硅或微晶硅在接觸這些硅化物中的一種硅 化物而結(jié)晶時(shí)，硅化物的晶體晶格在結(jié)晶期間為硅提供模板。產(chǎn)生的多晶硅將是高度有序 的并且缺陷相當(dāng)少。當(dāng)用電導(dǎo)率增強(qiáng)摻雜劑摻雜時(shí)，這種高質(zhì)量的多晶硅在形成后具有相 當(dāng)高的導(dǎo)電性。 相反，當(dāng)無定形硅或微晶硅材料不與硅(所述硅具有與其具有良好晶格匹配的硅 化物)接觸而結(jié)晶時(shí)，例如僅與具有明顯的晶格失配的例如二氧化硅和氮化鈦等材料接觸 時(shí)，產(chǎn)生的多晶硅將具有更多的缺陷，并且以這種方式結(jié)晶的摻雜的多晶硅在形成后具有 低得多的導(dǎo)電性。 在本發(fā)明的方面中，形成二極管的半導(dǎo)體材料在兩個(gè)或多個(gè)電阻率狀態(tài)之間切 換，在指定的讀出電壓下改變流經(jīng)二極管的電流，不同的電流(和電阻率狀態(tài))對應(yīng)于各個(gè) 獨(dú)特的數(shù)據(jù)狀態(tài)。已發(fā)現(xiàn)由高缺陷的硅(或其他適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料，例如鍺或硅鍺合金) 形成的還沒有鄰近硅化物或提供結(jié)晶模板的類似材料而結(jié)晶的二極管表現(xiàn)出最為有利的 切換行為或性能。 在不期望被任何特定理論約束的情況下，相信在觀測到的電阻率的改變背后的一 種可行的機(jī)制是在閾值幅值之上的設(shè)置脈沖使得摻雜劑原子移出晶界，在此所述摻雜劑原子是無活性的，然后進(jìn)入晶體的主體中，在此其將增大導(dǎo)電率并且減小半導(dǎo)體材料的電 阻。相反，重置脈沖可以使得摻雜劑原子移回到晶界，從而減小電導(dǎo)率并增大電阻。然而， 可能存在其他機(jī)制，例如同時(shí)執(zhí)行或取代為執(zhí)行增大和減小多晶材料的有序度(degree of order)。 已發(fā)現(xiàn)鄰近適當(dāng)?shù)墓杌锒Y(jié)晶的非常低缺陷的硅的電阻率狀態(tài)不能如半導(dǎo)體 材料具有較高缺陷等級時(shí)一樣容易地被切換。可能的原因是缺陷的存在或者較大數(shù)量的晶 界的存在允許更容易的切換。在優(yōu)選實(shí)施例中，之后形成二極管的多晶或微晶材料不鄰近 與其具有較小的晶格失配度的材料而結(jié)晶。較小的晶格失配度是例如約3%或更小的晶格 失配度。 提出了關(guān)于切換行為可以集中在本征區(qū)域中的改變上的證據(jù)。已經(jīng)在電阻器以及 P_n型二極管中觀測到切換行為，并且不限于p-i-n型二極管，但是相信p-i-n型二極管的 使用可以是特別有利的。至此所述的實(shí)施例包括P-i-n型二極管。然而，在其他實(shí)施例中， 所述二極管可以由具有很小的或者無本征區(qū)域的P_n型二極管取代。 將提供描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的制作的詳細(xì)示例。來自Herner等人于2002 年12月19日提交的名為"An Improved Method forMaking High Density Nonvolatile Memory"的美國專利申請No. 10/320,470的制造細(xì)節(jié)將在這些實(shí)施例的二極管的形成中 具有用處，如來自美國專利申請'549的信息所述，并且由于該專利申請被放棄，因此其作 為參考并入本文。有用的信息還可以從Herner等人于2004年12月17日提交的名為 "Nonvolatile Memory Cell Comprising aReduced Height Vertical Diode"的美國專利 申請No. 11/015， 824中獲得，其被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并且作為參考并入本文。為了避 免混淆本發(fā)明，本文沒有寫入來自這些申請的全部細(xì)節(jié)，但可以理解的是本文無意排除來 自這些申請的任何信息。
示例 單個(gè)存儲器級的制造將被更詳細(xì)地說明。額外的存儲器級可以被堆疊，每個(gè)存儲 器級單片地形成在其下面的存儲器級之上。在本實(shí)施例中，多晶半導(dǎo)體二極管將用作可切 換的存儲器元件。 參考圖15a，存儲器的制作開始于襯底100。這種襯底100可以是本領(lǐng)域中公知 的任何半導(dǎo)體襯底，例如單晶硅，例如硅鍺或硅鍺碳等IV-IV族化合物，III-V族化合物、 II-VII族化合物、在所述襯底之上的外延層或其他任意半導(dǎo)體材料。所述襯底可以包括制 作于其中的集成電路。 絕緣層102形成在襯底100之上。該絕緣層102可以是氧化硅、氮化硅、高介電薄 膜、Si-C-O-H薄膜或任意其他適當(dāng)?shù)慕^緣材料。 第一導(dǎo)體200形成在襯底和絕緣體之上。在絕緣層102和導(dǎo)電層106之間可以包 括粘合層104以幫助導(dǎo)電層106粘合到絕緣層102。如果上層或覆層的導(dǎo)電層是鎢，則氮化 鈦優(yōu)選為粘合層104。 將被沉積的下一層是導(dǎo)電層106。導(dǎo)電層106可以包括本領(lǐng)域公知的任意導(dǎo)電材 料，例如鎢或其他材料，包括鉭、鈦、銅、鈷或它們的合金。 —旦將形成導(dǎo)電軌(conductor rail)的全部層均被沉積，則所述層將使用任意適當(dāng)?shù)难谀：臀g刻工藝被圖案化和蝕刻，以形成大致平行的、大致共面的導(dǎo)體200，如圖15a 中的剖視圖所示。在一個(gè)實(shí)施例中，光致抗蝕劑或光刻膠被沉積，通過光刻技術(shù)被圖案化并 且這些層被蝕刻，并且之后使用標(biāo)準(zhǔn)處理技術(shù)去除光致抗蝕劑。替代地，導(dǎo)體200可以用鑲 嵌法(Damascene)形成。 之后介電材料108被沉積在導(dǎo)電軌200之上并且位于導(dǎo)電軌200之間。介電材料 108可以是任意公知的電絕緣材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在優(yōu)選實(shí)施例中，二氧 化硅被用作介電材料108。 最后，去除導(dǎo)電軌200的頂部上的多余的介電材料108，暴露出被介電材料108隔 開的導(dǎo)電軌200的頂部，并且留下大致平坦的表面109。所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)如圖15a所示。這種去 除溢出的介電材料以形成平坦表面109的工藝可以由本領(lǐng)域公知的任意工藝執(zhí)行，例如化 學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)或回蝕工藝?？梢杂欣貞?yīng)用的回蝕技術(shù)在Raghuram等人于2004年 6月30日提交的名為"Nonselective Unpatterned Etchbackto Expose Buried Patterned Features"的美國申請No. 10/883417中加以描述并且作為參考并入本文。在此階段，多個(gè) 基本平行的第一導(dǎo)體以第一高度形成在襯底100之上。 其次，參考圖15b，立柱將形成在完成的導(dǎo)電軌200之上(為了節(jié)省空間，在圖15b 中未顯示襯底IOO，但假設(shè)該襯底100存在)。優(yōu)選地，阻擋層110在導(dǎo)電軌平面化之后作 為第一層沉積。任意適當(dāng)?shù)牟牧暇梢员挥迷谧钃鯇又?，包括氮化鎢、氮化鉭、氮化鈦或這 些材料的組合。在優(yōu)選實(shí)施例中，氮化鈦被用作阻擋層。在阻擋層是氮化鈦的情況下，其可 以與前述粘合層相同的方式被沉積。 之后，沉積將被圖案化為柱的半導(dǎo)體材料。該半導(dǎo)體材料可以是硅、鍺、硅鍺合金 或其他適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體或半導(dǎo)體合金。為了簡化，本說明書將半導(dǎo)體材料稱為硅，但可以理解 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以取而代之地選擇其他任意適當(dāng)?shù)牟牧稀?在優(yōu)選實(shí)施例中，柱包括半導(dǎo)體結(jié)型二極管。本文中使用的術(shù)語結(jié)型二極管指具
有非歐姆導(dǎo)電性質(zhì)的半導(dǎo)體器件，其具有兩端電極，并且由在一個(gè)電極處為P型且在另一
個(gè)電極處為n型的半導(dǎo)體材料制成。示例包括p-n型二極管和n-p型二極管，其具有相接
觸的P型半導(dǎo)體材料和n型半導(dǎo)體材料，例如齊納二極管；和p-i-n型二極管，在p-i-n型
二極管中，本征(未摻雜)半導(dǎo)體材料介于P型半導(dǎo)體材料和n型半導(dǎo)體材料之間。 底部重?fù)诫s區(qū)域112可以由本領(lǐng)域已知的任意沉積和摻雜方法形成。硅可以被沉
積并且之后被摻雜，但優(yōu)選為通過在硅沉積期間流入提供n型摻雜劑原子(例如磷)的施
主氣體進(jìn)行原位摻雜。重?fù)诫s區(qū)域112的厚度優(yōu)選為在約100埃至約800埃之間。 本征層114可以由本領(lǐng)域已知的任意方法形成。層114可以是硅、鍺或者硅或鍺
的任意合金并且具有約1100埃至約3300埃之間的厚度，優(yōu)選為約2000埃。 參考圖15b，剛剛沉積的半導(dǎo)體層114和112連同下層的阻擋層IIO—起被圖案化
并蝕刻以形成柱300。柱300應(yīng)該具有與下面的導(dǎo)體200大致相同的節(jié)距或間距(pitch)
和大致相同的寬度，從而使每個(gè)柱300均形成在導(dǎo)體200的頂部上?？梢栽试S一定的不對
準(zhǔn)或誤差。 柱300可以使用任意適當(dāng)?shù)难谀：臀g刻工藝形成。例如，光致抗蝕劑可以被沉積， 使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)進(jìn)行圖案化，并且蝕刻，之后光致抗蝕劑被去除?？商鎿Q地，一些其他 材料的硬掩模，例如二氧化硅，可以形成在半導(dǎo)體層堆疊的頂部，其中頂部上具有底部抗反射層(BARC)，之后被圖案化和蝕刻。類似地，介電抗反射層(DARC)可以被用作硬掩模。
Chen于2003年12月5日提交的名為"Photomask Features withlnterior Nonprinting Window Using Alternating Phase Shifting"的美國申請No. 10/728436或 Chen于2004年4月1日提交的名為"PhotomaskFeatures with Chromeless Nonprinting Phase Shifting Window"的美國申請No. 10/815312中描述的光刻技術(shù)可以有利地用于執(zhí) 行用以形成根據(jù)本發(fā)明的存儲器陣列的任意光刻步驟，這兩個(gè)申請均由本發(fā)明的受讓人所 有，并且其內(nèi)容作為參考并入本文。 介電材料108沉積于半導(dǎo)體柱300之上并且在半導(dǎo)體柱300之間，填充柱間的間 隙。介電材料108可以是任意已知的電絕緣材料，例如，氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在優(yōu) 選實(shí)施例中，二氧化硅被用作絕緣材料。 接下來，去除柱300頂部上的介電材料，暴露出被介電材料108隔開的柱300的頂 部，并且留出大致平坦的表面。這種去除溢出的電介質(zhì)的工藝可以由本領(lǐng)域已知的任意工 藝執(zhí)行，例如CMP或回蝕工藝。在CMP或回蝕后，執(zhí)行離子注入，形成重?fù)诫sp型頂部區(qū)域 116。 p型摻雜劑優(yōu)選為硼或BCl3。這種注入步驟完成二極管111的形成。產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)如圖 15b所示。在剛剛形成的二極管中，底部重?fù)诫s區(qū)域112是n型的，而頂部重?fù)诫s區(qū)域116 是P型的，顯然極性可以顛倒。 參考圖15c，反熔絲介電層118形成在每個(gè)重?fù)诫s區(qū)域116的頂部上。反熔絲118 優(yōu)選為由任意適當(dāng)?shù)某练e方法形成的厚度在IO埃至IOO埃的金屬氧化物層，例如由濺射形 成。如果需要，柱300圖案化步驟可以可替換地發(fā)生在反熔絲介電層118沉積步驟的沉積 之后，從而使層118變?yōu)橹?00的一部分。 導(dǎo)體400可以與底部導(dǎo)體200相同的方式形成，例如通過沉積粘合層120的方式 形成，該導(dǎo)體400優(yōu)選為氮化鈦，并且導(dǎo)電層122優(yōu)選為鎢。之后，使用任意適當(dāng)?shù)难谀：?蝕刻技術(shù)來圖案化和蝕刻導(dǎo)電層122和粘合層120以形成大致平行、大致共面的導(dǎo)體400， 如圖15c所示，該導(dǎo)體400從左到右延伸穿過紙頁。在優(yōu)選實(shí)施例中，光致抗蝕劑或光刻膠 被沉積，通過光刻技術(shù)被圖案化并且所述層被蝕刻，以及之后使用標(biāo)準(zhǔn)處理技術(shù)將所述光 致抗蝕劑去除。 接下來，介電材料(未示出)被沉積在導(dǎo)電軌之上并且位于導(dǎo)電軌400之間。所 述介電材料可以是任意已知的電絕緣材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在優(yōu)選實(shí)施例 中，氧化硅被用作這種介電材料。 已描述了第一存儲器級的形成。額外的存儲器級可以形成在此第一存儲器級之上 以形成單片三維存儲器陣列。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)體可以在各存儲器級之間共享，即頂部導(dǎo) 體400將用作下一個(gè)存儲器級的底部導(dǎo)體。在其他實(shí)施例中，在圖15c中的第一存儲器級 之上形成層間電介質(zhì)(未示出)，該層間電介質(zhì)的表面被平面化，并且第二存儲器級的構(gòu)造 開始于此平面化的層間電介質(zhì)而不共享導(dǎo)體。 單片三維存儲器陣列是一種多個(gè)存儲器級形成在單個(gè)襯底之上的陣列，而不具 有中間襯底，所述襯底例如為晶片。形成一個(gè)存儲器級的層被沉積或直接生長在已有 的一個(gè)級或多個(gè)級的層之上。相反，堆疊的存儲器通過在分離的襯底上形成存儲器級 并且將各存儲器級相互疊置(atop)粘合而構(gòu)造，如Leedy的名為"Three dimensional structuremermory"的美國專利No. 5， 915， 167中所描述的那樣。所述襯底可以在接合前減薄或從存儲器級中去除，但是由于存儲器級初始形成在分離的襯底之上，因此這種存儲器 不是真正的單片三維存儲器陣列。 形成在襯底之上的單片三維存儲器陣列包括在襯底上以第一高度形成的至少第 一存儲器級和以與第一高度不同的第二高度形成的第二存儲器級。在這種多級陣列中，在 襯底之上可以形成三個(gè)、四個(gè)、八個(gè)或?qū)嶋H上任意數(shù)量的存儲器級。 用于形成使用鑲嵌構(gòu)造形成導(dǎo)體的類似陣列的可替換的方法在Radigan等人的 于2006年5月31日提交的名為"Conductive HardMask to Protect Patterned Features During Trench Etch"的美國專利申請No. 11/444， 936中進(jìn)行了說明，該申請被轉(zhuǎn)讓給本發(fā) 明的受讓人并且作為參考并入本文。Radigan等人的方法可以被替代地用于形成根據(jù)本發(fā) 明的陣列。 除了已經(jīng)描述的這些內(nèi)容，具有以多晶或微晶半導(dǎo)體材料的電阻率狀態(tài)形式存儲 的數(shù)據(jù)狀態(tài)的存儲器單元的許多可替換的實(shí)施例是可行的并且落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。例 如，二極管2中的p型區(qū)域8和n型區(qū)域4的位置可以被顛倒從而使p型區(qū)域8位于立式 二極管的底部上并且使n型區(qū)域4位于二極管2的頂部。 本文描述了制造的詳細(xì)方法，但是形成相同結(jié)構(gòu)的任意其他方法也可以被使用， 其結(jié)果也落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。 圖16a和16b說明了兩種不同的示例性存儲器單元。圖16a說明了金屬氧化物反 熔絲介電層14位于二極管之上的單元。具體地，反熔絲介電層14位于二極管的p型區(qū)域 8上。 在圖16b中，反熔絲介電層14位于二極管2之下。具體地，金屬氧化物(A1203)反 熔絲介電層14通過氮化鈦層110與二極管的n型硅區(qū)域4分離。因此，在圖16b中所示的 單元中的二極管下面的MM(金屬-絕緣體_金屬)結(jié)構(gòu)中，A1203反熔絲介電層14位于W 層106和TiN層110之間。鈦層124位于二極管2的p型區(qū)域和上部的氮化鈦層120之間。
圖17a是將圖16a中所示的包含10埃厚的氧化鋁反熔絲介電層(方形)的存儲 器單元的讀出電流與包含16埃厚的二氧化硅反熔絲介電層(圓形)的類似的存儲器單元 的讀出電流相比較的概率圖。這兩個(gè)單元均由+8V脈沖編程。如從圖17a中所見，在2V讀 出電壓下，具有氧化鋁反熔絲介電層的已編程單元的讀出電流是30微安，而在2V讀出電壓 下，具有二氧化硅反熔絲介電層的已編程單元的讀出電流是20微安。因此，以氧化鋁反熔 絲介電層取代氧化硅反熔絲介電層的使用使讀出電流增大了 50 % 。 圖17b是示出了圖16a中所示的包含30埃厚的氧化鉿(Hf02)反熔絲介電層的存 儲器單元的讀出電流的概率圖。所述單元以+10V脈沖編程。如從圖17b中所見，在2V讀 出電壓下，已編程單元的讀出電流是30微安。 圖17c是將圖16a中所示的已編程存儲器單元的讀出電流與圖16b中所示的已編 程存儲器單元的讀出電流相比較的概率圖。雖然兩個(gè)單元均具有類似厚度的八1203反熔絲， 但圖163中八1203在接觸。+摻雜硅區(qū)域8的二極管的頂部上的構(gòu)造顯示出了比圖16b中的 構(gòu)造高得多的正向電流。圖16b中所示的在MIM配置中的反熔絲電介質(zhì)導(dǎo)致減小的讀出電 流，如圖17c所示，并且在期望高讀出電流的應(yīng)用中不是優(yōu)選的。 在不希望被特定理論約束的情況下，本發(fā)明人相信能夠在編程期間使八1203層中 的Al擴(kuò)散并混合到二極管的p型硅區(qū)域8中，從而引起更高的正向電流。因此，二極管的P型區(qū)域包含鋁，在單元被編程并且穿過介電層形成導(dǎo)電鏈路之后，該A1從反熔絲介電層 擴(kuò)散而來。由于Al是硅中的p型摻雜劑，因此由于p型區(qū)域8因?yàn)槠渲械膒型摻雜劑的 更高濃度而與相鄰電極具有良好的歐姆接觸，使得這種P型摻雜劑將增大二極管的正向電 流。這表示Al203可以被設(shè)置為與存儲器單元中的二極管的p型區(qū)域相接觸。因此，如果p 型區(qū)域8位于二極管的底部，則A1203層14可以位于二極管之下。如果p型區(qū)域8位于二 極管的頂部，則A1203層可以位于二極管之上。相反，由于稀釋了二極管的p型區(qū)域8中的 P型摻雜劑，自Si02反熔絲介電層擴(kuò)散到二極管中的Si實(shí)際上能夠使二極管退化。因此， 這是為什么氧化鋁反熔絲提供了比二氧化硅反熔絲更高的讀出電流的一種可能解釋，如圖 17a所示。 鉿同樣是硅中的p型摻雜劑并且可以以與鋁相同的方式起作用，很可能導(dǎo)致圖 17b中所示的結(jié)果。然而，來自金屬氧化物反熔絲電介質(zhì)的除鋁以外的金屬一般在硅中具 有的溶解度比在鋁中具有的溶解度低得多。因此，如果這些金屬從反熔絲介電層擴(kuò)散進(jìn)硅， 則它們應(yīng)該在硅中產(chǎn)生比在鋁中更低的P型載流子濃度。例如，雖然在70(TC下，Al在Si 中具有的溶解度大于lX102°cm— 而在升高的溫度下，估計(jì)Hf在Si中具有的溶解度小于 lppm(小于lX1017cm—3)。 之前的詳細(xì)描述僅描述了本發(fā)明可以采用的許多形式中的一些形式。為此，此詳 細(xì)描述的目的是為了舉例說明，而無意對發(fā)明進(jìn)行限制。只有所附的包括全部等價(jià)物的權(quán) 利要求是用于限定本發(fā)明范圍的。
權(quán)利要求
一種非易失性存儲器裝置，其包括包括二極管和金屬氧化物反熔絲介電層的至少一個(gè)存儲器單元；以及電接觸所述至少一個(gè)存儲器單元的第一電極和第二電極；其中，在使用中，所述二極管通過響應(yīng)于所施加的偏置從第一電阻率狀態(tài)切換到第二電阻率狀態(tài)而用作所述存儲器單元的讀/寫元件，所述第二電阻率狀態(tài)與所述第一電阻率狀態(tài)不同。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述二極管和所述金屬氧化物反熔絲介電層被串 聯(lián)布置在所述第一 電極和所述第二電極之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層具有高于3. 9的介 電常數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層包括氧化鉿、氧化 鋁、氧化鈦、氧化鑭、氧化鉭、氧化釕、鋯硅氧化物、鋁硅氧化物、鉿硅氧化物、鉿鋁氧化物、鉿 硅氮氧化物、鋯硅鋁氧化物、鉿鋁硅氧化物、鉿鋁硅氮氧化物或鋯硅鋁氮氧化物中的至少一 種或具有Si02或SiNx至少之一的上述物質(zhì)的組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層包括氧化鉿或氧化鋁。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述金屬氧化物反烯絲介電層鄰近所述二極管的 P型區(qū)域設(shè)置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述二極管包括具有大致圓柱形形狀的多晶硅、鍺或硅鍺p-i-n型柱形二極管，并且 所述二極管的P型區(qū)域包含在所述單元被編程后從所述反熔絲介電層擴(kuò)散來的鋁或鉿。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中 所述存儲器單元包括讀/寫存儲器單元；以及 所述二極管包括用作所述存儲器單元的讀/寫元件的P-i-n型半導(dǎo)體二極管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述存儲器單元包括可重寫存儲器單元。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中在所述第一電極和所述第二電極之間施加正向偏置適于形成導(dǎo)電鏈路并且適于編程 所述二極管，所述導(dǎo)電鏈路切斷所述金屬氧化物反熔絲介電層；已編程的二極管適于通過將反向偏置施加到所述二極管而被設(shè)置為具有高電阻率的 未編程狀態(tài)；并且處于所述高電阻率的未編程狀態(tài)的所述二極管適于通過將正向偏置施加到所述二極 管而返回到低電阻率的已編程狀態(tài)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置包括位于所述二極管之上的存儲器單 元的單片三維陣列。
12. —種非易失性存儲器裝置，其包括 多個(gè)存儲器單元；以及電接觸所述多個(gè)存儲器單元的第一電極和第二電極；其中所述多個(gè)存儲器單元中的每個(gè)存儲器單元包括串聯(lián)布置在所述第一電極和所述第二電極之間的二極管和金屬氧化物反熔絲介電層，并且所述二極管包括具有大致圓柱形 形狀的多晶硅、鍺或硅鍺p-i-n型柱形二極管。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層包括氧化鉿、氧 化鋁、氧化鈦、氧化鑭、氧化鉭、氧化釕、鋯硅氧化物、鋁硅氧化物、鉿硅氧化物、鉿鋁氧化物、 鉿硅氮氧化物、鋯硅鋁氧化物、鉿鋁硅氧化物、鉿鋁硅氮氧化物或鋯硅鋁氮氧化物中的至少 一種或具有Si02或SiNx至少之一的上述物質(zhì)的組合。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層包括氧化鉿或氧 化鋁。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述二極管的p型區(qū)域包含在所述單元被編程 后從所述反熔絲介電層擴(kuò)散來的鋁或鉿。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中每個(gè)存儲器單元在至少1.5V讀出電壓下提供至 少3. 5X10—5A的讀出電流。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層具有10-100埃的 厚度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中 所述多個(gè)存儲器單元包括讀/寫存儲器單元；以及在所述多個(gè)存儲器單元中的每個(gè)存儲器單元中的所述二極管包括用作所述多個(gè)存儲 器單元中的每個(gè)存儲器單元的讀/寫元件的p-i-n型半導(dǎo)體二極管。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，在使用中，在所述多個(gè)存儲器單元中的每個(gè)存 儲器單元中的所述二極管通過響應(yīng)于所施加的偏置從第一電阻率狀態(tài)切換到第二電阻率 狀態(tài)而用作所述多個(gè)存儲器單元中的每個(gè)存儲器單元的讀/寫元件，所述第二電阻率狀態(tài) 與所述第一電阻率狀態(tài)不同。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中 所述多個(gè)存儲器單元包括可重寫存儲器單元；在所述第一電極和所述第二電極之間施加正向偏置適于形成導(dǎo)電鏈路并且適于編程 在所述多個(gè)存儲器單元中的每個(gè)存儲器單元中的所述二極管，所述導(dǎo)電鏈路切斷所述金屬 氧化物反熔絲介電層；已編程的二極管適于通過將反向偏置施加到所述二極管而被設(shè)置為具有高電阻率的 未編程狀態(tài)；并且處于所述高電阻率的未編程狀態(tài)的所述二極管適于通過將正向偏置施加到所述二極 管而返回到低電阻率的已編程狀態(tài)；所述金屬氧化物反熔絲介電層適于通過在所述第一電極和所述第二電極之間施加正 向偏置而由導(dǎo)電鏈路切斷以編程所述二極管；已編程的二極管適于通過將反向偏置施加到所述二極管而被設(shè)置為高電阻率的未編 程狀態(tài)，所述反向偏置的值大于預(yù)定的臨界電壓值；并且未編程的二極管適于通過將正向偏置施加到所述二極管而被恢復(fù)到所述低電阻率的 已編程狀態(tài)。
21. —種制作非易失性存儲器裝置的方法，其包括 形成第一電極；形成至少一個(gè)非易失性存儲器單元，其包括二極管和在所述第一電極之上的金屬氧化 物反熔絲介電層；以及在所述至少一個(gè)非易失性存儲器單元之上形成第二電極；其中，在使用中，所述二極管通過響應(yīng)于所施加的偏置從第一電阻率狀態(tài)切換到第二 電阻率狀態(tài)而用作所述非易失性存儲器單元的讀/寫元件，所述第二電阻率狀態(tài)與所述第 一電阻率狀態(tài)不同。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述二極管和所述金屬氧化物反熔絲介電層被 串聯(lián)布置在所述第一 電極和所述第二電極之間。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層包括氧化鉿、氧 化鋁、氧化鈦、氧化鑭、氧化鉭、氧化釕、鋯硅氧化物、鋁硅氧化物、鉿硅氧化物、鉿鋁氧化物、 鉿硅氮氧化物、鋯硅鋁氧化物、鉿鋁硅氧化物、鉿鋁硅氮氧化物或鋯硅鋁氮氧化物中的至少 一種或具有Si02或SiNx至少之一的上述物質(zhì)的組合。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層包括氧化鉿或氧 化鋁。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層鄰近所述二極管 的P型區(qū)域設(shè)置。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括圖案化所述二極管和所述金屬氧化物反 熔絲介電層，從而使所述二極管和所述金屬氧化物反熔絲介電層形成具有大致圓柱形形狀 的柱。
27. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括將正向偏置施加到所述二極管以將該二 極管從具有第一電阻率的未編程狀態(tài)切換到具有第二電阻率的已編程狀態(tài)，其中所述第二 電阻率狀態(tài)低于所述第一電阻率狀態(tài)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述正向偏置的施加形成了穿過所述金屬氧化 物反熔絲介電層的導(dǎo)電鏈路。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中在所述導(dǎo)電鏈路形成后，金屬摻雜劑從所述金 屬氧化物反熔絲介電層擴(kuò)散到鄰近所述金屬氧化物反熔絲介電層設(shè)置的所述二極管的P 型區(qū)域中。
30. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層具有10-100埃的厚度。
31. —種操作非易失性存儲器裝置的方法，其包括提供包括二極管和被導(dǎo)電鏈路破壞的金屬氧化物反熔絲介電層的至少一個(gè)存儲器單 元，其中所述二極管已經(jīng)從具有第一較高電阻率的未編程狀態(tài)切換到具有第二較低電阻率 的已編程狀態(tài)；以及將反向偏置施加到所述二極管以將該二極管切換到具有第三電阻率的未編程狀態(tài)，其 中所述第三電阻率狀態(tài)高于所述第二電阻率狀態(tài)。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括將正向偏置施加到所述二極管以將該二 極管切換到具有第四電阻率的已編程狀態(tài)，其中所述第四電阻率狀態(tài)低于所述第三電阻率 狀態(tài)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括感測所述二極管的電阻率狀態(tài)作為所述存儲器單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中感測步驟包括將讀出電壓施加到所述存儲器， 從而使所述存儲器單元在至少1. 5V讀出電壓下顯示至少3. 5X 10—5A的讀出電流。
35. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述二極管在制造所述存儲器單元的工廠中被切換到第二已編程狀態(tài)；并且 施加反向偏置的步驟是在所述存儲器單元離開制造該存儲器單元的工廠后，由所述存 儲器單元的用戶執(zhí)行的。
36. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括導(dǎo)電鏈路，其切斷所述金屬氧化物反熔絲介電層。
37. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述二極管和所述金屬氧化物反熔絲介電層被串聯(lián)布置在所述第一電極和所述第二 電極之間；并且所述金屬氧化物反熔絲介電層包括氧化鉿、氧化鋁、氧化鈦、氧化鑭、氧化鉭、氧化釕、 鋯硅氧化物、鋁硅氧化物、鉿硅氧化物、鉿鋁氧化物、鉿硅氮氧化物、鋯硅鋁氧化物、鉿鋁硅 氧化物、鉿鋁硅氮氧化物或鋯硅鋁氮氧化物中的至少一種或具有Si02或SiNx至少之一的上 述物質(zhì)的組合。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層包括氧化鉿或氧 化鋁。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述金屬氧化物反熔絲介電層鄰近所述二極管 的P型區(qū)域設(shè)置，從而在所述存儲器單元的操作期間，鋁或鉿從所述金屬氧化物反熔絲介 電層擴(kuò)散到所述二極管的P型區(qū)域中。
40. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述二極管和所述金屬氧化物反熔絲介電層形 成具有大致圓柱形形狀的柱。
全文摘要
一種非易失性存儲器裝置，其包括至少一個(gè)存儲器單元，所述至少一個(gè)存儲器單元包括二極管和金屬氧化物反熔絲介電層；以及電接觸所述至少一個(gè)存儲器單元的第一電極和第二電極。在使用中，所述二極管通過響應(yīng)于所施加的偏置從第一電阻率狀態(tài)切換到第二電阻率狀態(tài)而用作所述存儲器單元的讀/寫元件，所述第二電阻率狀態(tài)與所述第一電阻率狀態(tài)不同。
文檔編號G11C17/16GK101720485SQ200880021393
公開日2010年6月2日 申請日期2008年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月25日
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