阻變隨機訪問存儲器件及其制造和操作方法技術

本申請公開了一種阻變隨機訪問存儲器件及其制造和操作方法，該阻變隨機訪問存儲器件包括阻變存儲元件，所述阻變存儲元件包括兩個電極以及夾在兩個電極之間的阻變材料層，并且具有雙極阻變特性；以及肖特基二極管，所述肖特基二極管包括彼此接觸的金屬層和半導體層，其中，所述肖特基二極管的金屬層與所述阻變存儲元件的一個電極連接。本發明專利技術實現了按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機訪問存儲器件。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及存儲器件，具體涉及阻變隨機訪問存儲器件(resistiverandom access memory device, RRAM)。本專利技術還涉及上述阻變隨機訪問存儲器件的制造和操作方法。
技術介紹
目前，微電子工業的發展推動著存儲器技術的不斷進步，提高集成密度和降低生產成本是存儲器產業追求的目標。非揮發性存儲器具有在無電源供應時仍能保持數據信息的優點，在信息存儲領域具有非常重要的地位。采用阻變材料的新型非揮發性存儲器具有高速度(< 5ns)、低功耗(< IV)，高存儲密度、易于集成等優點，是下一代半導體存儲器的強有力競爭者。這種阻變存儲器一般具有M-I-M(Metal-Insulator-Metal，金屬一絕緣體一金屬)結構，即在兩個金屬電極之間夾有阻變材料層。阻變材料一般是過渡金屬氧化物，常見的有NiO、TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO等等。阻變材料可以表現出兩個穩定的狀態，即高阻態和低阻態分別對應數字“0”和“1”。由高阻態到低阻態的轉變為編程或者置位(SET)操作，由低阻態到高阻態的轉變為擦除或者復位 (RESET)操作。按照其工作方式，可以將阻變存儲器件分為單極和雙極兩種。前者在器件兩端施加單一極性的電壓，利用施加電壓大小不同控制阻變材料的電阻值在高低阻態之間轉換， 以實現數據的寫入和擦除；而后者是利用施加相反極性的電壓控制阻變材料電阻值的轉換。雙極阻變存儲器件在翻轉速度、器件一致性、可靠性(數據保持力、可翻轉次數)、可控性等方面的存儲性能比單極阻變存儲器件的存儲性能更好。按照其基本配置，可以將阻變存儲器件分為1T-1R或1D-1R兩種。1T-1R結構中的每一個存儲單元由一個選通晶體管和一個阻變存儲元件組成。通過控制選通晶體管，可以向指定的存儲單元寫入或擦除數據。由于選通晶體管的存在，存儲單元的面積很大部分是浪費在晶體管上，這對于進一步提高存儲器集成度造成了嚴重障礙。1D-1R配置中的每一個存儲單元由一個二極管和一個阻變存儲元件組成。通過控制二極管，向指定的存儲單元寫入或擦除數據。由于二極管的面積比晶體管的面積小，1D-1R配置在提高集成度方面更具優勢。然而，由于二極管材料的限制，現有的1D-1R配置的阻變存儲器件只能按照單極方式工作，從而限制了存儲性能的提高。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供可以按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機訪問存儲器件。本專利技術的又一目的是提供一種制造和操作該阻變隨機訪問存儲器件的方法。基于金屬半導體接觸原理的肖特基二極管具有受金屬材料和外加偏壓控制的較大的反向電流。因此，本專利技術人提出通過選擇正反向電壓偏置下二極管開關參數合適的肖特基二極管和雙極阻變存儲器串聯連接，可以實現按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機訪問存儲器件。針對上述結構的阻變隨機訪問存儲器件，本專利技術人提出可行的操作方法。根據本專利技術的一方面，提供一種阻變隨機訪問存儲器件，包括阻變存儲元件，所述阻變存儲元件包括兩個電極以及夾在兩個電極之間的阻變材料層，并且具有雙極阻變特性；以及肖特基二極管，所述肖特基二極管包括彼此接觸的金屬層和半導體層，其中，所述肖特基二極管的金屬層與所述阻變存儲元件的一個電極連接。根據本專利技術的另一方面，提供一種制造阻變隨機訪問存儲器件的方法，包括以下步驟a)在襯底上形成多晶硅層；b)在多晶硅層中摻入雜質以形成P摻雜多晶硅層；C)對 P摻雜多晶硅層進行退火以激活摻雜劑；d)在P摻雜多晶硅層上形成第一金屬層；e)在第一金屬層上形成阻變材料層；f)在阻變材料層上形成第二金屬層；g)對P摻雜多晶硅層、 第一金屬層、阻變材料層和第二金屬層的疊層進行圖案化，以形成彼此分開的多個阻變隨機訪問存儲器件。根據本專利技術的又一方面，提供一種操作阻變隨機訪問存儲器件的方法，其中所述肖特基二極管的半導體層與位線連接，所述阻變存儲元件的另一個電極與字線連接，所述方法包括在讀操作中，在字線和位線之間施加負向電壓Vread ；在編程操作中，在字線和位線之間施加正向電壓V+ ；在擦除操作中，在字線和位線之間施加負向電壓V_ ；其中，VMad、V+、V-滿足以下關系VSET+Vs < V+< VSET+2Vs+VtVEESET+Vt < V_ < VSET+2Vt+VsVt < Vread < VEESET+Vt其中，Vset, Iset, Veeset是阻變存儲器件的取決阻變材料層的材料的參數，分別表示使阻變存儲單元從高阻態轉變為低阻態的最小電壓、所需要的最小電流和使阻變存儲單元從低阻態轉變為高阻態的最小電壓，\和Vt分別表示肖特基二極管的反向接近飽和時的電壓和二極管的閾值電壓，Is表示二極管的反向飽和電流，其中，通過控制半導體層的摻雜濃度使Is的取值范圍為Iset < Is < 2Iset。本專利技術實現了按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機訪問存儲器件，從而既可以占用相對小的芯片面積，如達到4F2的集成度(F為特征尺寸)，也可以相對于單極阻變隨機訪問存儲器件獲得提高的存儲性能，如更快的讀寫速度，更小的擦寫電流，更小的阻值和電壓離散，更長的保持時間和更高的可靠性。在該阻變隨機訪問存儲器件中使用了肖特基二極管，該肖特基二極管具有比一般的二極管更快的速度，從而進一步提高了讀寫速度和可靠性。而且，該肖特基二極管具有比一般的二極管更大的電流密度，在編程過程中還可起到限流作用，有利于提高器件的壽命并減小阻值的離散。該肖特基二極管可以通過對半導體層摻雜的精確控制來獲得期望的反向飽和電流。除此以外，基于鉬硅肖特基二極管的結構工藝簡單，與傳統半導體工藝相兼容，非常適合大規模生產。此外，通過在讀操作、編程操作和擦除操作選擇特定范圍的電壓，可以防止阻變隨機訪問存儲器件在操作過程中對鄰近的阻變隨機訪問存儲器件的誤操作。因此，本專利技術的阻變隨機存取存儲器件可以按照高密度集成的方式組成存儲單元的陣列，在每一條位線和每一條字線的交叉點包括一個存儲單元。附圖說明圖1為根據本專利技術的阻變隨機訪問存儲器陣列的示意圖。圖2為圖1所示的阻變隨機訪問存儲器陣列中的一個存儲單元的示意圖，包括串聯連接的一個阻變存儲元件和一個肖特基二極管。圖3為圖1所示的阻變隨機訪問存儲器件進行編程/擦除操作的示意圖。圖4為圖1所示的阻變隨機訪問存儲器件中的一個存儲單元的典型I-V曲線。圖5為圖1所示的阻變隨機訪問存儲器件的等效電路圖。具體實施例方式以下將參照附圖更詳細地描述本專利技術。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。應當理解，在描述器件的結構時，當將一層、一個區域稱為位于另一層、另一個區域“上”、“上面”或“上方”時，可以指直接位于另一層、另一個區域上面，或者在其與另一層、 另一個區域之間還包含其它的層或區域。并且，如果將器件翻轉，該一層、一個區域將位于另一層、另一個區域“下”、“下面”或“下方”。如果為了描述直接位于另一層、另一個區域上面的情形，本文將采用“直接在…… 上面”或“在……上面并與之鄰接”的表述方式。在本申請中，術語“半導體結構”指在制造半導體器件的各個步驟中形成的整個半導體結構的統稱，包括已經形成的所有層或本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種阻變隨機訪問存儲器件，包括阻變存儲元件，所述阻變存儲元件包括兩個電極以及夾在兩個電極之間的阻變材料層，并且具有雙極阻變特性；以及肖特基二極管，所述肖特基二極管包括彼此接觸的金屬層和半導體層，其中，所述肖特基二極管的金屬層與所述阻變存儲元件的一個電極連接。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：康晉鋒，高濱，陳沅沙，孫兵，劉力鋒，劉曉彥，韓汝琦，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：11