具有添加金属的可逆性电阻率切换金属氧化物或氮化物层制造技术

本发明专利技术提供一种可达到至少两个稳定的电阻率状态的电阻率切换金属氧化物或氮化物层。此层可用于非易失性存储单元中的状态改变元件中，从而以此电阻率状态存储其数据状态，例如“０”或“１”。在此电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层中包括额外的金属原子会降低引起电阻率状态之间的切换所需的电流，从而减少以此层的电阻率状态存储数据的存储单元阵列的功率要求。在各种实施例中，存储单元可包括与另一元件（例如二极管或晶体管）串联形成的具有添加金属的电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种电阻率切换材料，其可用于在非易失性存储单元中存储数据状态。技术背景已知能可逆地在较高与较低电阻率状态之间转换的电阻率切换材料。切换可通过使 电阻率切换材料经受可能会相对大的电压或电流而引起。这两个或两个以上稳定的电阻 率状态使此些材料成为用于可重写的非易失性存储器阵列的有吸引力的选择。在基于此 电阻率切换材料的存储器阵列中，减少功率要求通常是有利的。因此，需要减少在稳定的电阻率状态之间切换这些电阻率切换材料所需的电压、电 流或切换时间。
技术实现思路
本专利技术通过随附权利要求书来界定，且此部分中的任何描述皆不应视为对所述权利 要求书的限制。总的来说，本专利技术是针对电阻率切换金属氧化物或氮化物。本专利技术的第一方面提供一种半导体装置，其包含可逆性状态改变元件，其包含电 阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层，所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物仅 包括一种金属，其中所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层包括金属添加剂，其中所述金属添加剂占金属氧化物或氮化物化合物层中的金属原子的约0.01%到约5%。本专利技术的另一方面提供一种可重写入的非易失性存储单元，其包含状态改变元件， 其包含电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层，所述电阻率切换金属氧化物或氮化物 化合物仅包括一种金属，其中所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层包括金属添 加剂，其中所述金属添加剂占金属氧化物或氮化物化合物层中的金属原子的约0.01%到 约5%，其中存储单元的数据状态是以电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层的电阻 率状态存储的。本专利技术的另一方面提供一种用于形成存储单元的方法，所述方法包含形成状态改 变元件，所述状态改变元件包含电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层，所述电阻率 切换金属氧化物或氮化物化合物仅包括一种金属，其中电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层包括金属添加剂，其中所述金属添加剂占金属氧化物或氮化物化合物层中的金 属原子的约0.01%到约5%，其中存储单元的数据状态对应于电阻率切换金属氧化物或 氮化物化合物层的电阻率状态。本专利技术的优选实施例提供一种单片三维存储器阵列，其包含a)形成于衬底上方 的第一存储器层级，所述第一存储器层级包含多个第一可逆性状态改变元件，每一状 态改变元件包含电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层，所述电阻率切换金属氧化物 或氮化物化合物仅包括一种金属，其中所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层包 括金属添加剂，其中所述金属添加剂占金属氧化物或氮化物层中的金属原子的约0.01% 到约5%;及b)单片地形成于第一存储器层级上方的第二存储器层级。另一优选实施例提供一种形成第一存储器层级的方法，所述方法包含在衬底上方 形成多个大体上并联、大体上共面的底部导体；在底部导体上方形成多个大体上并联、 大体上共面的顶部导体；形成多个垂直定向的二极管，每一二极管设置于底部导体中的 一者与顶部导体中的一者之间；形成多个可逆性状态改变元件，每一状态改变元件包含 电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层，所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物 仅包括一种金属，其中所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层包括金属添加剂， 其中所述金属添加剂占金属氧化物或氮化物化合物层中的金属原子的约0.01%到约5%， 其中每一状态改变元件设置于二极管中的一者与顶部导体中的一者之间或二极管中的 一者与底部导体中的一者之间。本专利技术的另一方面提供一种用于形成包含可逆性状态改变元件的非易失性存储单元的方法，所述方法包含形成电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层，所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物仅包括一种金属，此金属为第一金属；及在形成所述电 阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层的步骤期间或之后，将第二金属添加到电阻率切 换金属氧化物或氮化物化合物层，其中所述可逆性状态改变元件包含电阻率切换金属氧 化物或氮化物化合物层。本专利技术的优选实施例提供一种非易失性存储单元，其包含状态改变元件，所述状 态改变元件包含a)本质上由第一金属氧化物或金属氮化物化合物组成的底部接触层， 所述第一金属氧化物或金属氮化物化合物仅包括一种金属；b)本质上由第一金属氧化 物或金属氮化物化合物及金属添加剂组成的电阻率切换层，其中金属添加剂占电阻率切 换层中的金属原子的约0.01%到约5%;及c)本质上由第一金属氧化物或金属氮化物化 合物组成的顶部接触层，其中所述电阻率切换层在所述底部接触层上方且与其接触，且 所述顶部接触层在所述电阻率切换层上方且与其接触，其中存储单元的数据状态是以状态改变元件的电阻状态存储的。相关实施例提供一种非易失性存储单元，其包含状态改变元件，所述状态改变元 件包含a)本质上由第一金属氧化物或金属氮化物化合物及金属添加剂组成的底部接 触层，其中所述金属添加剂占底部接触层中的金属原子的约0.01%到约5%且其中所述 第一金属氧化物或金属氮化物化合物仅包括一种金属；b)本质上由第一金属氧化物或 金属氮化物化合物组成的电阻率切换层；及C)本质上由第一金属氧化物或金属氮化物化合物及金属添加剂组成的顶部接触层，其中所述金属添加剂占顶部接触层中的金属原子的约0.01%到约5%，其中所述电阻率切换层在底部接触层上方且与其接触，且所述 顶部接触层在电阻率切换层上方且与其接触，其中存储单元的数据状态是以状态改变元 件的电阻状态存储的。本文所描述的本专利技术的方面及实施例中的每一者可单独或彼此结合使用。现在将参看随附图式描述优选方面及实施例。附图说明图la及图lb为根据本专利技术的实施例的电阻率切换层及接触层、金属氧化物或氮化 物层(其中的一者或一者以上形成有添加金属而一者或一者以上未形成有添加的金属) 的化合物堆叠的横截面图。图2为非易失性存储单元的透视图，此存储单元包括串联地设置于顶部与底部导体 之间的二极管及电阻切换元件，其可有利地加以修改以使用本专利技术的方面。图3为与图2的存储单元相同的存储单元的存储器层级的一部分的透视图。图4a-图4c为说明根据本专利技术的一实施例形成的非易失性存储单元的存储器层级的 制造阶段的横截面图。图5为说明有利偏压方案的电路图，所述偏压方案可用于设定根据本专利技术所形成的 选定单元而不干扰相邻单元。图6为说明有利偏压方案的电路图，所述偏压方案可用于重设根据本专利技术所形成的 选定单元而不干扰相邻单元。具体实施方式多种材料展示出可逆性电阻率切换行为。这些材料包括硫族化物、碳聚合物、钙钛 矿(perovskite)及某些金属氧化物及氮化物。具体地说，存在仅包括一种金属且显示出 可靠的电阻率切换行为的金属氧化物及氮化物化合物。此群包括NiO、 Nb205、 Ti02、Hf02、 A1203、 CoO、 MgOx、 Cr02、 VO、 BN及A1N。这些材料中的一者的层可以初始状态形成，例如稳定的、相对低电阻率的状态。在 施加足够的电压后，所述材料即切换成稳定的高电阻率状态。(通过施加不同的电流及 电压，可实现两个以上的电阻率状态。为简明性起见，此论述将论及高及低电阻率状态， 但应了解两个以上的状态是可能的且可能是有用的。)此电阻率切换是可逆的；随后施 加适当的电流或电压可用以使电阻率切换材料返回到稳定的低电阻率状态。对于这些电 阻率切换材料中的一些(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，其包含：可逆性状态改变元件，其包含电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层，所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物仅包括一种金属，其中所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层包括金属添加剂，其中所述金属添加剂占所述金属氧化物或氮化物化合物层中的金属原子的约０．０１％到约５％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-11-23 11/287,4521. 一种半导体装置，其包含可逆性状态改变元件，其包含电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层，所述电 阻率切换金属氧化物或氮化物化合物仅包括一种金属，其中所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层包括金属添加剂，其中所述金属添加剂占所述金属氧化物或氮化物化合物层中的金属原子的约0.01%到约5%。2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合 物选自由NiO、 Nb205、 Ti02、 Hf02、 A1203、 CoO、 MgOx、 Cr02、 VO、 BN及A1N组成的群组。3. 根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述金属添加剂选自由钴、铝、镓、铟、 锰、镍、铌、锆、钛、铪、钽、镁、铬、钒、硼、钇及镧组成的群组。4. 根据权利要求3所述的半导体装置，其中所述电阻率切换金属氧化物或氮化物化合 物是NiO且所述金属添加剂是钴或铝。5. 根据权利要求1所述的半导体装置，6. 根据权利要求1所述的半导体装置，7. 根据权利要求1所述的半导体装置，8. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述金属添加剂是通过离子植入引入的。 其中所述金属添加剂是通过扩散引入的。 其中所述金属添加剂是通过溅镀引入的。 其中所述装置包含非易失性存储单元。9. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中在所述装置的正常操作期间，所述可逆性 状态改变元件从第一电阻状态改变成第二电阻状态，所述第一电阻状态不同于所述 第二电阻状态。10. 根据权利要求9所述的半导体装置，其中所述第一电阻状态与所述第二电阻状态之 间的差为至少五倍。11. 根据权利要求9所述的半导体装置，其中所述可逆性状态改变元件是通过使设定电 流或重设电流流经所述状态改变元件或在所述状态改变元件上施加设定电压或重 设电压而从第一电阻状态改变成第二电阻状态。12. —种可重写的非易失性存储单元，其包含-状态改变元件，其包含电阻率切换金属氧化物或氮化物化合物层，所述电阻率切 换金属氧化物或氮化物化合物仅包括一种金属，其中所述电阻率切换金...

【专利技术属性】
技术研发人员：S布拉德赫纳，坦迈库马尔，
申请(专利权)人：桑迪士克三D公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]