[發明專利]半導體存儲器及其制造方法

無效

• 申請號: 201010145630.X
• 申請日: 2010-04-09
• 公開（公告）號: CN101866940A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 青屜浩
• 申請（專利權）人: 索尼公司
• 主分類號: H01L27/24
• 分類號: H01L27/24;H01L45/00;H01L21/82
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 宋鶴;南霆

技術領域

本發明涉及利用可變電阻(或電阻的改變)的半導體存儲器及其制造方法。

背景技術

根據對存儲器的更高存儲容量和更高工作速度的需求增長，現已在使得閃存的結構更加精細方面出現局限。在這些情形中，已經提出使用電阻改變的可變電阻型存儲元件，作為下一代存儲元件技術。可變電阻型存儲元件的示例包括ARAM(原子隨機訪問存儲器)、ReRAM(電阻隨機訪問存儲器)和PMC(可編程金屬化單元)。在這些可變電阻存儲元件之中，ARAM被認為是有前途的技術，因為其允許高速執行寫入和擦除操作(例如，參考日本專利早期公開No.2006-173267以及K.Aratani、K.Ohba、T.Mizuguchi、S.Yasuda、T.Shimoto、T.Tsushima的題為“ANovel?Resistance?Memory?with?High?Scalability?and?Nanosecond?Switching”的文獻，IEEE?IEDM，第783-786頁，2007年，下文中稱該文獻為非專利文獻1)。

如圖12所示，可變電阻存儲元件110包括一對選擇元件111(例如晶體管或二極管)與可變電阻元件112的組合(例如，參見日本專利早期公開No.2008-072031，下文中稱該專利為專利文獻1)。在使用該系統作為高容量存儲器的情況下，多個可變電阻存儲元件110被排列。

例如，如圖13中的等效電路圖所示，可變電阻存儲元件110包括MOS晶體管113和可變電阻元件112的組合。

現在，下面將參考圖14所示的等效電路圖來描述ARAM型可變電阻存儲元件上的數據的寫入和擦除。

如圖14所示，在ARAM型可變電阻存儲元件120中，可變電阻元件122的一端連接到MOS晶體管123的擴散層之一。可變電阻元件122的另一端接地。另外，MOS晶體管123的另一擴散層連接到位線(bit?line)124。此外，字線(word?line)125連接到MOS晶體管123的柵電極。

此外，可變電阻元件122包括由金屬氧化膜(例如，氧化釓膜)構成的存儲層和包含銅離子的離子供應層。

下面將描述使用ARAM型可變電阻存儲元件120的寫入和擦除操作。這里，寫入操作被定義為將可變電阻元件122從高電阻狀態帶入低電阻狀態的操作。

如圖14所示，ARAM型可變電阻存儲元件120中的寫入操作是通過在字線125上施加電勢V_g以使得MOS晶體管123進入導通狀態并在板線(plate?line)126上施加正電勢V_w來執行的。

可以認為在該操作時，從包含金屬離子(例如銅離子)的離子供應層上，銅離子流入存儲層，從而在存儲層中形成導電路徑。因此，在已經處于高電阻狀態的存儲層中形成低電阻區域，結果是在存儲層中發生從高電阻狀態到低電阻狀態的轉變。

如圖15所示，從ARAM型可變電阻存儲元件120擦除數據是通過如下方法執行的：如寫入操作一樣，通過字線125在MOS晶體管123的柵極上施加電壓V_g以使得MOS晶體管123進入導通狀態，同時，在板線126上施加負電勢V_e。

可以認為在該操作時，已經在存儲層中形成導電路徑的金屬離子(例如，銅離子)被吸回到離子供應層，從而存儲層中的低電阻區域消失，并且在存儲層中發生從低電阻狀態到高電阻狀態的轉變。

一般而言，在寫入和擦除操作時，充當選擇晶體管的MOS晶體管處在導通狀態。因此，在此情況下，MOS晶體管可以被等效地看作電阻元件，從而圖15所示的系統可以用圖16所示的等效電路來表示。

在此情況下，如圖15和16所示，制造得更精細的MOS晶體管123具有從幾千歐姆到幾十千歐姆的電阻。因此，當處在低電阻狀態的可變電阻元件122的電阻低于MOS晶體管123的電阻時，施加到位線124上的電勢V_e的絕大部分通過MOS晶體管123經歷電壓降。這可能導致預定電壓V_re沒有被施加到可變電阻元件122上，從而沒有完成所需的擦除操作。因此，用于確保穩定的擦除操作的條件是處在低電阻狀態的可變電阻元件122的電阻被設置或控制為比MOS晶體管123的ON電阻高幾倍或(一個或多個)數量級。