[发明专利]存储单元及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可编程电阻存储单元、其制造方法和一种结合这种存储单元的非易失性存储器件。

背景技术

双稳态器件或电路应用于存储器件和大量其它的应用。例如，对于在存储中储存一个比特信息，能够使用双稳态器件，其在至少两个不同且持久的态之间可切换。当写入逻辑“1”到器件中时，其被驱动为两个持久态之一而当写入逻辑“0”或擦除逻辑“1”时，器件被驱动为两个不同态中的另一个。在器件运行中每个态都持续到下一步的写入信息到器件中或擦除信息。

快速可擦除可编程只读存储器(FEPROM，也称为闪存)应用在半导体器件中且提供快速块擦除操作。典型地，相对于所知的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)的每个存储单元有两个晶体管，闪存在每个存储单元中只使用一个晶体管。因此，闪存比EEPROM在半导体器件上占有更少的空间且生产更便宜。然而，半导体器件的进一步节省空间的组件和用于生产这种器件的节省成本的制造技术的发展还在继续。

达到那样的目标，用于半导体器件的具有双稳态电阻的材料的应用已经得到研究。通过施加适当的电信号到材料上能够可逆地改变材料的电阻态。这些电信号应该比给定的临界值V_T大且比给定的时间t长。通过施加其它信号能够读取或分析材料的电阻态，如果这些信号比V_T小很多则不会破坏导电态。

过渡金属氧化物是材料中的一类，其能够被调节使得它们表现出理想的双稳态电阻。以过渡金属氧化物为基础的非易失性两终端存储器件已经被公开。这种器件的例子在US6815744中给出。三终端存储器件的例子已在US7130212B2中给出。

为了可进行在电阻态之间的切换，过渡金属氧化物经历了调节工艺，其包括使过渡金属氧化物在充足的周期时间中经历适当的电信号，这可通过将电信号施加于接触过渡金属氧化物层的电极而进行，如上文所讨论。调节工艺在过渡金属氧化物中产生了被限制的导电区域，该过渡金属氧化物在两个或更多电阻态之间能够可逆地转换。

上文所述的器件的一些缺陷与调节工艺有关。这是因为，调节工艺不仅费时，它要求结合到这种器件中的每个单元。此外，由调节工艺产生的被限制的导电区域出现在介电材料中的任意位置，也就是，通过精确定义的工艺参数不可控制导电路线的位置。这可导致观察到这种器件的电性能方面的大改变，否则它们应为标称上同样的。

因此，理想的是提供可编程的电阻存储单元，其减轻和/或消除与所知的可编程的电阻存储单元有关的缺陷。

发明内容

依照本发明的第一方面的一实施例，提供了一种存储单元包括：至少源电极，形成在基板上；至少漏电极，形成在基板上；至少耦合层，在源电极和漏电极之间，且至少栅电极，形成在基板上，其中：耦合层包括过渡金属氧化物，表现出填充受控的金属绝缘体转换特性；栅电极包括氧离子导体层，和相对于耦合层1布置栅电极使得对栅电极使用电信号引起耦合层中氧空位浓度的改变。在本发明的一实施例中，施加于栅电极的电信号引起氧空位从氧离子导体层迁移到耦合层。这改变了过渡金属氧化物中过渡金属离子的正常氧化态并且伴随着填充过渡金属能带。因此，当电信号施加于栅电极时，耦合层由具有本质的绝缘特性转变为导体且反之亦然。所以，在本发明一实施例中，通过对栅电极使用电信号，耦合层的电阻在至少两个不同且持久的电阻态之间可逆地转换。更特别地，在本发明的一实施例中，在不以用于前面提到的器件的调节工艺为开始的情况下可以完成电阻转换并且因此不具备上文讨论的与调节工艺相关的缺点。此外，通过对栅电极使用电信号设置的耦合层的电阻态持续到对栅电极再次使用电信号，即电信号不需要不断地施加于栅电极用于设置且理想的电阻设置为持续，因此本发明的一实施例提供了比前面提到的器件运行能量低的优点。与本发明的一实施例相关的另一优点为可实现每单元多层、多比特存储。

优选地，氧离子导体层包括表现出氧空位迁移率至少10^-9cm²/V_S的材料。选择氧离子导体层的材料以表现出高氧空位迁移率即至少10^-9cm²/V_S反映为氧空位从氧离子导体层迁移到耦合层的减少的时间，且因此，反映为当电信号施加于栅电极时耦合层的电阻态从耦合层本质上为绝缘时的关态转换为导通电流的开态或反之亦然的减少的时间。

理想地，相对于耦合层的栅电极的排布为氧离子导体层形成在耦合层上。在这种情况下，由于氧离子导体层直接形成在耦合层上，有利于氧空位迁移到耦合层中。