具有半金屬或半導(dǎo)體電極的非易失性存儲器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開通常涉及一種存儲器元件，并且更具體地涉及響應(yīng)于施加電場而可在兩個或多個阻抗?fàn)顟B(tài)之間編程的存儲器元件。
【背景技術(shù)】
[0002]需要長時(shí)間存儲信息而不使用電能。例如，在許多電子裝置和系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)可以存儲在非易失性存儲器或準(zhǔn)非易失性存儲器中。準(zhǔn)非易矢性存儲器可以是具有比動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器(DRAM)更長的“刷新”間隔量級的存儲器。
[0003]—種類型存儲器是導(dǎo)電橋接隨機(jī)訪問存儲器(CBRAMhCBRAM可以具有根據(jù)兩個端子結(jié)構(gòu)的電阻水平而存儲信息的存儲器元件，其可以包括金屬/絕緣體/金屬結(jié)構(gòu)。電阻的改變可以由主要由或者更通常由或者完全由金屬原子構(gòu)成的導(dǎo)電通路的產(chǎn)生和破壞而帶來。
【附圖說明】
[0004]圖1是根據(jù)實(shí)施例的存儲器元件的側(cè)剖視圖。
[0005]圖2A至圖2C是根據(jù)實(shí)施例的示出了在存儲器元件的開關(guān)層內(nèi)形成導(dǎo)電區(qū)域的側(cè)剖視圖。
[0006]圖3A至圖3D是根據(jù)另一實(shí)施例的示出了在存儲器元件的開關(guān)層內(nèi)形成導(dǎo)電區(qū)域的側(cè)剖視圖。
[0007]圖4A至圖4C是根據(jù)另一實(shí)施例的示出了在存儲器元件的開關(guān)層內(nèi)形成導(dǎo)電區(qū)域的側(cè)剖視圖。
[0008]圖5是根據(jù)另一實(shí)施例的存儲器元件的側(cè)剖視圖。
[0009]圖6是根據(jù)另一實(shí)施例的存儲器元件的側(cè)剖視圖。
[0010]圖7是根據(jù)另一實(shí)施例的存儲器元件的側(cè)剖視圖。
[0011 ]圖8是根據(jù)另一實(shí)施例的存儲器元件的側(cè)剖視圖。
[0012]圖9A至圖9C是根據(jù)實(shí)施例的示出了存儲器元件的形成的側(cè)剖視圖。
[0013]圖10A和圖10B是根據(jù)另一實(shí)施例示出了存儲器元件的形成的側(cè)剖視圖。
[0014]圖11A至圖11C是根據(jù)又一實(shí)施例示出了存儲器元件的形成的側(cè)剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]根據(jù)實(shí)施例，一種存儲器元件包括存儲器單元，利用半導(dǎo)體或半金屬(包括類金屬)以形成穿過絕緣開關(guān)層的導(dǎo)電通路。
[0016]在一些實(shí)施例中，存儲器元件可以具有類似于傳統(tǒng)的導(dǎo)電橋接隨機(jī)訪問存儲器(CBRAM)元件的結(jié)構(gòu)，然而導(dǎo)電通路的產(chǎn)生和破壞可以包括半金屬或半導(dǎo)體。也即，可以由半金屬或半導(dǎo)體完全或部分地形成可逆的導(dǎo)電通路。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電通路可以不包括金屬原子，或者導(dǎo)電通路的大部分可以由非金屬(例如，半金屬/半導(dǎo)體)原子形成。
[0017]與傳統(tǒng)的金屬基CBRAM單元相比，由半金屬或半導(dǎo)體形成的導(dǎo)電通路可以需要更多原子存在于導(dǎo)電通路中以實(shí)現(xiàn)相對較低的電阻水平，使得該導(dǎo)電通路不易受到導(dǎo)通狀態(tài)保持故障(也即，不希望的從低電阻向高電阻的自發(fā)轉(zhuǎn)變)的影響。
[0018]額外地，對于產(chǎn)生給定“寬度”(例如1、2或3個原子)的導(dǎo)電通路的編程操作，基于半金屬或半導(dǎo)體的導(dǎo)電通路可以具有比基于金屬的比較通路實(shí)質(zhì)上更高的電阻(例如，對于具有1原子縮頸(constrict1n)的祕(Bi)通路約為100kΩ，對于具有1原子縮頸的銅Cu通路約為10k Ω)。這可以導(dǎo)致比傳統(tǒng)的CBRAM單元需要較低的電流和/或功率以用于編程和/或擦除。
[0019]盡管一些傳統(tǒng)的CBRAM元件可以通過將金屬原子電引入分散在兩個電極之間的絕緣層中而獲得它們的低電阻，但是在其他元件中，金屬氧化物通常用作絕緣層，并且通常由于在從金屬氧化物的一些區(qū)域移除了氧之后剩余的金屬原子的存在而引起低電阻狀態(tài)。例如，在從氧化鈦(Ti02)層移除了氧(0)之后而可以剩下鈦(Ti)原子。因此，在兩種傳統(tǒng)情形中，低電阻狀態(tài)可以歸因于金屬原子的存在。與之形成鮮明對比地，根據(jù)在此的實(shí)施例，低電阻狀態(tài)(或者低電阻狀態(tài)的顯著部分)可以歸因于半金屬和/或半導(dǎo)體原子而非金屬原子的存在。
[0020]根據(jù)特定實(shí)施例，一種存儲器單元可以包括:第一電極(可以稱作陽極)，第二電極(可以稱作陰極)，以及分散在兩者之間的絕緣層。陽極可以包括一種或多種半金屬(例如Bi)和/或一種或多種半導(dǎo)體(例如Si)。該半金屬或半導(dǎo)體也可以包括以下任何:在其可能晶相的至少一個中為半金屬或半導(dǎo)體的元素(例如，Te，其具有高壓金屬形式和低壓半導(dǎo)體形式，具有0.3eV的帶隙)；一旦壓縮至納米級或原子級尺寸可以成為半金屬或半導(dǎo)電的元素;或者包含一種或多種這些元素的合金或其他化合物(例如，TiTex)。
[0021]陽極可以用作可以在絕緣層中形成一個或多個導(dǎo)電通路的那些原子的來源(例如，至少部分地由半金屬或半導(dǎo)體形成的導(dǎo)電通路)。額外的導(dǎo)電層可以存在于陽極的頂部上或者在陰極的下方以輔助制造或者操作用于控制單元的電路(例如，用于降低至單元的連接的電阻)。
[0022]電脈沖可以施加在兩個電極之間以使得半金屬或半導(dǎo)體原子形成導(dǎo)電通路。幅度或極性不同的電脈沖可以用于中斷該導(dǎo)電通路以將器件返回至較高電阻態(tài)。初始“形成”的電脈沖可以施加至所制造的器件以將半金屬或半導(dǎo)體原子引入絕緣層中，采用后續(xù)編程或擦除操作使得半金屬或半導(dǎo)體原子分別重新排列為低電阻或高電阻通路。
[0023]額外地或備選地，半金屬或半導(dǎo)體原子可以隨著器件的每個編程/擦除循環(huán)而引入并且從絕緣層移除。
[0024]額外地或備選地，半金屬或半導(dǎo)體原子可以通過初始熱或化學(xué)處理而引入絕緣層中，替代于電脈沖以及用于重排列原子以分別形成低、高電阻通路的編程/擦除電脈沖。
[0025]額外地或備選地，半金屬或半導(dǎo)體原子可以當(dāng)形成絕緣層時(shí)原位引入絕緣層中。
[0026]實(shí)施例可以包括類似于傳統(tǒng)CBRAM器件(包括電阻性RAM(RRAM)器件)的存儲器器件架構(gòu)，但是包括如在此所述的存儲器元件。結(jié)果，根據(jù)實(shí)施例的存儲器件可以具有可以小于這些傳統(tǒng)器件的編程電源電壓和/或歷時(shí)。根據(jù)實(shí)施例的存儲器件可以具有比傳統(tǒng)存儲器件更大的磨損循環(huán)，或者在“再處理”型操作之間更長的時(shí)間段。再處理型操作可以是將元件再編程為特定狀態(tài)的操作(例如，緊縮電阻分布，再將所有單元擦除/編程為相同狀態(tài)之后對單元編程)。根據(jù)實(shí)施例的存儲器件可以具有磨損算法，在不同存儲器組塊之間數(shù)據(jù)偏移之前允許更多數(shù)目的循環(huán)等等。
[0027]在此公開的實(shí)施例中，相同部分涉及相同附圖標(biāo)記但是具有對應(yīng)與此的前綴數(shù)字。
[0028]圖1是根據(jù)實(shí)施例的存儲器元件100的側(cè)剖視圖。存儲器單元可以包括第一電極104，開關(guān)層106，以及第二電極108。在一些實(shí)施例中，第一電極104可以包括一種或多種半金屬或半導(dǎo)體。這些半金屬和/或半導(dǎo)體可以包括以下任何一種:例如碳(C)，碲(Te)，銻(Sb)，砷(As)，鍺(Ge)，娃(Si)，祕(Bi)，錫(Sn)，硫⑶，或砸(Se)。
[0029]開關(guān)層106可以形成在第一和第二電極104/108之間。開關(guān)層106可以由在電極之上施加電場而可以切換其導(dǎo)電性的材料所形成。根據(jù)實(shí)施例，開關(guān)層106可以是其中可以通過施加電場而形成和消除導(dǎo)電通路的絕緣材料。這些導(dǎo)電通路可以至少部分地由一種或多種半金屬和/或半導(dǎo)體(半金屬/半導(dǎo)體)形成。在一些實(shí)施例中，開關(guān)層106可以基本上不具有形成半金屬/半導(dǎo)體的通路，陽極104是基本上所有半金屬/半導(dǎo)體的來源。然而，在其他實(shí)施例中，開關(guān)層106可以包括一些半金屬/半導(dǎo)體，陽極104貢獻(xiàn)了額外量的半金屬/半導(dǎo)體。在另外其他實(shí)施例中，開關(guān)層106可以包括半金屬/半導(dǎo)體，陽極104并未貢獻(xiàn)或者以開關(guān)層106內(nèi)導(dǎo)電通路的形式貢獻(xiàn)了很少量的半金屬/半導(dǎo)體。
[0030]在一些實(shí)施例中，開關(guān)層106可以是金屬氧化物。在特定實(shí)施例中，開關(guān)層106可以包括氧化IL(GdOx)、氧化給(Η??χ)、氧化鉭(TaOx)、氧化招(AlOx)和/或氧化錯(ZrOx)的任一種。應(yīng)該理解的是，這些金屬氧化物可以具有化學(xué)計(jì)量或非化學(xué)計(jì)量形式。
[0031]在一些實(shí)施例中，第一電極104可以包括半金屬/半導(dǎo)體以及一種或多種其他元素。在特定實(shí)施例中，第一電極104可以是半金屬/半導(dǎo)體和另一元素的二元合金。與半金屬/半導(dǎo)體組合使用的第一電極104的金屬可以是過渡金屬。在一些實(shí)施例中，該金屬可以是稀土金屬。然而在其他實(shí)施例中，該金屬可以不是過渡金屬(并且因此也不是稀土金屬)。