[发明专利]存储器件、存储器阵列及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造方法，更具体地涉及存储器件、存储器阵列及其制造方法。

背景技术

半导体存储器发展的重要方向是提高存储密度以及降低功耗。新型阻变存储器利用可变电阻器作为存储器件，具有高速度(＜1ns)、低操作电压(＜1V)，高存储密度、易于集成等优点。而且，阻变存储器可以在未供电状态下保持数据一定时间。因此，阻变存储器可以作为非易失性存储，并且是下一代存储器的强有力竞争者。

阻变存储器利用某些氧化物材料的阻变特性(以下称为“阻变材料”)。阻变材料一般是金属氧化物，包括选自HfO₂、NiO、TiO₂、ZrO₂、ZnO、WO₃、Ta₂O₅、A1₂O₃、MoO_x、CeO_x、La₂O₃及其任意组合构成的组中的一种材料。阻变材料可以表现出多个稳定的电阻状态。由高阻态到低阻态的转变称为置位操作(SET)，由低阻态到高阻态的转变称为复位操作(RESET)。

可以按照单极或双极方式对阻变材料进行操作。前者在器件两端施加单一极性的电压，利用施加电压大小不同控制阻变材料的电阻值在高低阻态之间转换，例如NiO，TiO₂，WO₃等；而后者是利用施加相反极性的电压控制阻变材料电阻值的转换，例如HfO₂，ZrO₂，ZnO，Ta₂O₅等。

阻变存储器的存储单元可以包括一个可变电阻和一个晶体管(1T1R结构)，或一个可变电阻和一个二极管(1D1R结构)。参见图6，在1D1R结构的存储器中，每一个可变电阻R1、R2、R3、R4和相应的一个二极管D1、D2、D3、D4串联连接，形成存储单元，并且进一步连接在位线和字线之间，形成存储器阵列。可变电阻R1、R2、R3、R4通常具有金属-绝缘体-金属结构(MIM结构)，即在两层金属电极之间夹有阻变材料层。

尽管在图6中未示出，阻变存储器还包括用于选择性地向位线施加电压的列驱动器以及用于选择性地向字线施加电压的行驱动器，使得可以访问存储器阵列中的一个存储单元。

在1D1R结构的存储器中，二极管的作用是在访问一个存储单元时相邻的存储单元对所访问的一个存储单元产生旁路串扰。然而，在存储单元尺寸缩小时，可变电阻的低阻态工作电流受器件面积影响很小，而二极管工作电流与器件面积成正比。当存储单元尺寸缩小到一定程度时，二极管就无法提供足够的驱动电流以确保可变电阻能够正常转变。

在设计二极管时的一个困难是保证二极管提供足够的电流驱动能力。例如，可以采用高迁移率的新半导体材料或增加二极管的器件面积，以提供足够的驱动电流。然而，新半导体材料增加工艺的复杂程度，并且，如果二极管的器件面积增加，则妨碍存储单元的尺寸缩小。

在设计二极管时的另一个困难是保证工艺的兼容性。常规的阻变存储器及相应的二极管制造工艺较为复杂，并且使用Pt、Au等与CMOS工艺兼容性差的材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种与CMOS工艺兼容并且减小尺寸的存储器件。

根据本发明的一方面，提供一种存储器件，包括：由n型半导体材料组成的下电极层；位于下电极层上的阻变材料层；以及位于阻变材料层上的由金属材料组成的上电极层。

根据本发明的另一方面，提供一种存储器阵列，包括相互交叉的多条位线和多条字线，以及多个上述的存储器件，所述多个存储器件中的每一个位于每一条位线和每一条字线的交叉点处，并且所述存储器件的下电极层与位线相连接，上电极层与字线相连接。

根据本发明的又一方面，提供一种制造存储器件的方法，包括：在半导体层中掺入n型掺杂剂，以形成下电极层；在下电极层上淀积阻变材料，以形成阻变材料层；以及在阻变材料层上淀积金属材料，以形成上电极层。

该存储器件是自整流的可变电阻，因而不用单独设计附加的二极管就可直接应用于交叉阵列存储结构。而且，存储器件的正常工作不再受附加二极管电流的限制，具有很好的按比例缩小能力。本发明的存储器件可以密度集成。