具有电场可编程存储元件的存储单元以及操作它的方法技术

本发明专利技术公开了一种具有存取晶体管和电场可编程双稳态元件的存储单元。存取晶体管可以是具有耦合到电场可编程双稳态或多稳态元件的门极、源极或漏极的ＭＯＳＦＥＴ晶体管。本发明专利技术也公开了多个存储单元，每个具有唯一的、不同的和／或独特的电场可编程双稳态元件以及共用的存取晶体管。本发明专利技术还公开了一种具有配置的用于存储互补数据状态的多个存储单元的差动存储单元。差动存储单元包括第一存储单元和第二存储单元，其中的第一存储单元保持与第二存储单元有关的互补状态。本发明专利技术还公开了具有Ｎ－沟道型存储单元和Ｐ－沟道型存储单元的互补存储单元。

【技术实现步骤摘要】
专利技术的背景本专利技术涉及存储单元、阵列和/或设备以及控制和/或操作存储单元、阵列和/或设备的方法；更特别地，一方面，涉及存储单元、阵列和/或包括多个这种存储单元的设备，其中每个存储单元包括用于存储表示数据状态的电荷的电场可编程薄膜。有许多不同类型和/或形式的存储单元、阵列和设备。这种设备通常可以被分为两种不同的类型，即易失性的(例如，动态随机存取存储器(“DRAM”)和静态随机存取存储器(“SRAM”))，和非易失性的(例如，只读存储器(“ROM”)，电可编程只读存储器(“EPROM”)，以及电擦除可编程只读存储器(“EEPROM”))。传统的存储单元、阵列和设备典型地采用一种平面方式制造，并且目前来用无机材料诸如单和多晶体硅。(参见，例如公开的美国专利申请2004/0135193和6,710,384)虽然包括该存储单元的设备已经在技术上和商业上取得成功，但是它们仍然具有许多缺点，包括，例如，复杂的结构，密度的限制，和相对高的造价。此外，就一些易失型存储设备来说，必须引入“刷新”电路以便不断地/周期性地重新存储信息。这将产生与热消散，定时，和功耗有关的问题。另外，虽然可以获得一定的集成密度，但该设备会受到有关存储单元的大小限制或约束。例如，在传统的DRAM中，存储单元由典型地建立在单晶硅的表面上的存取晶体管、以及包括例如两个由电介质(例如，氧化物，氮化物或它们的组合物)分离的基于硅的导体的电容组成。电容存储表示双稳态存储器状态的电荷。存取晶体管作为开关用于控制电容的充电和放电以及在电容中的逻辑状态的读取和写入(例如，充电或放电该电容)。传统技术使用层叠和/或沟道电容的方法，借此电容被部分地配置到存取晶体管的上面和/或下面以求减小存储单元所占用的二维面积。这样，传统的DRAM使用一个晶体管-一个电容存储单元，会限制或约束有关存储单元的大小以及有关单一平面的布局。非易失性半导体设备避免了易失性半导体设备中普遍存在的一些问题但是由于单元和电路设计中较高复杂性的结果，经常受到数据存储容量、容量和/或密度减小的困扰。(参见，例如，公开的美国专利申请2004/0135193和2004/0136239)。较高的复杂性经常导致较高的生产成本。例如，在传统的EEPROM中，存储单元包括具有多个排列在单晶半导体底层上并且被高度控制厚度的薄绝缘体分离的门极的晶体管。特别地，控制门极排列在浮动门极的上面，其排列在半导体底层中沟道区域的上面。浮动门极典型地由重度掺杂的硅或金属层(例如，铝)组成并且通过高度控制薄绝缘体与沟道区域分离，这样有助于降低过量使用/时间。除了普遍存在的基于无机晶体半导体的设备以外，还存在替代的电子存储器和使用双稳态元件的开关设备，这种双稳态元件可以通过应用电流或输入到设备的其他类型在高阻态和低阻态之间转换。有机和无机的薄膜半导体材料都可以被用于电子存储器和开关设备中，例如非结晶硫属化物半导体有机电荷转移配合物的薄膜，诸如铜-7，7，8，8-四氰基醌二甲烷(Cu-TCNQ)薄膜，以及有机基体中的一些无机氧化物。值得注意的是，这些材料已经被建议为用于非易失性存储器的有潜力的候选者。许多易失性和非易失性存储器元件已经实现使用各种双稳态材料。然而，目前许多公知的双稳态薄膜是通过蒸发的方法制造的不均匀的、多层的复合结构，其很贵并且经常很难控制。另外，这些双稳态薄膜没有提供用于在外形上从等保角到平面制造薄膜的机会。使用聚合母体和颗粒物质制造的双稳态薄膜通常是不均匀的并且因此不适合用于制造亚微米和纳米规格的电子存储器和开关设备。还有其他双稳态薄膜可以通过标准的工业方法可控地制造，但是它们的操作需要高温熔化并且在网格交点处退火。这种薄膜常常受到热量管理问题的困扰，具有高能耗的要求，并且在“导电”和“非导电”状态之间只提供较小程度的区别。此外，因为该薄膜在高温操作，很难设计允许高密度存储器的层叠设备结构。因此，仍然需要改善使用电场可编程双稳态薄膜的存储单元、阵列和/或设备以克服使用传统的双稳态薄膜的传统存储单元、阵列和/或设备的一个、一些和/或所有缺点。需要改善包括单平面和/或多平面结构的存储单元、阵列和/或设备，实现电场可编程双稳态薄膜，该双稳态薄膜包括或适合各种底层和各种可定义的外形。此外，需要使用电场可编程双稳态薄膜的存储单元、阵列和/或设备，它们可以使用传统的集成电路制造技术更容易和快速地制造。此外，需要实现电场可编程双稳态薄膜的存储单元、阵列和/或设备比传统的存储单元、阵列和/或设备相对便宜(例如，以每比特为基础)。另外，需要实现作为埋置在逻辑或其他电路中的这些电场可编程双稳态薄膜的存储单元、阵列和/或设备要求较少的集成步骤和/或掩模来制造。专利技术概述在第一方面，公开了具有至少第一数据状态和第二数据状态的存储单元，该存储单元包括半导体晶体管(例如，P-沟道或N-沟道晶体管)和连接到半导体晶体管的电场可编程双稳态元件。在一个实施方案中，半导体晶体管包括第一和第二区域，每个都具有杂质以便提供第一传导类型。半导体晶体管还包括排列在第一区域和第二区域之间的主体区域，其中的主体区域包括杂质以便提供第二传导类型(其中的第二传导类型与第一传导类型不同)。门极从主体区域分离并且电连接到主体区域。存储单元的电场可编程双稳态元件包括第一和第二电极以及至少一个排列在第一和第二电极之间的电场可编程薄膜，其中存储单元的第一数据状态表示电场可编程薄膜的第一电阻而第二数据状态表示电场可编程薄膜的第二电阻。在一个实施方案中，第一电极连接到第一区域，该区域是晶体管的漏极区。在另一个实施方案中，第一电极连接到第二区域，该区域是晶体管的源极区。在另一个实施方案中，第一电极连接到半导体晶体管的门板。第一电极可以排列在半导体晶体管的第一区域。此外，第一电极可以排列在半导体晶体管的第一区域并且在门极的至少一部分上(向上或向下)延伸。事实上，第一电极可以是半导体晶体管的第一区域的至少一部分。在本专利技术这个方面的一个实施方案中，第一电极排列在半导体晶体管的门极上。在另一个实施方案中，第一电极是半导体晶体管的门极。在另一方面，公开了一种包括晶体管和多个连接到该晶体管的电场可编程双稳态元件的存储单元(具有至少第一数据状态和第二数据状态)。在一个实施方案中，半导体晶体管包括第一和第二区域，每个都具有杂质以便提供第一传导类型。半导体晶体管还包括排列在第一区域和第二区域之间的主体区域，其中的主体区域包括杂质以便提供第二传导类型(其中的第二传导类型与第一传导类型不同)。门极与主体区域分离并且电连接到主体区域。值得注意的是，半导体晶体管可以是P-沟道或N-沟道晶体管。这方面的存储单元进一步包括连接到半导体晶体管的第一和第二电场可编程双稳态元件。每个电场可编程双稳态元件包括第一电极，第二电极和至少一个排列在第一和第二电极之间的电场可编程薄膜。电场可编程薄膜包括至少两个电阻状态，包括第一电阻状态和第二电阻状态。当第一电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第一状态并且第二电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第二状态时，这方面的存储单元在第一数据状态。当第一电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第二状态并且第二电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第一状态时，存储单元在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有至少第一数据状态和第二数据状态的存储单元，该存储单元包括：半导体晶体管，包括：具有用于提供第一传导类型的杂质的第一区域；具有用于提供第一传导类型的杂质的第二区域；设置在第一区域和第二区域之间的主体区域 ，其中主体区域包括用于提供第二传导类型的杂质，其中第二传导类型与第一传导类型不同；以及从主体区域分离并且电耦合到主体区域的门极；以及连接到半导体晶体管的电场可编程双稳态元件，该电场可编程双稳态元件包括：第一电极； 第二电极；以及至少一个设置在第一和第二电极之间的电场可编程薄膜，其中存储单元的第一数据状态表示电场可编程薄膜的第一电阻而第二数据状态表示电场可编程薄膜的第二电阻。

【技术特征摘要】
US 2004-3-24 60/556,246;US 2004-10-13 10/964,3821.一种具有至少第一数据状态和第二数据状态的存储单元，该存储单元包括半导体晶体管，包括具有用于提供第一传导类型的杂质的第一区域；具有用于提供第一传导类型的杂质的第二区域；设置在第一区域和第二区域之间的主体区域，其中主体区域包括用于提供第二传导类型的杂质，其中第二传导类型与第一传导类型不同；以及从主体区域分离并且电耦合到主体区域的门极；以及连接到半导体晶体管的电场可编程双稳态元件，该电场可编程双稳态元件包括第一电极；第二电极；以及至少一个设置在第一和第二电极之间的电场可编程薄膜，其中存储单元的第一数据状态表示电场可编程薄膜的第一电阻而第二数据状态表示电场可编程薄膜的第二电阻。2.权利要求1的存储单元，其中第一区域是半导体晶体管的漏极区并且其中第一电极连接到漏极区。3.权利要求1的存储单元，其中第二区域是半导体晶体管的源极区并且其中第一电极连接到源极区。4.权利要求1的存储单元，其中的第一电极连接到半导体晶体管的门极。5.一种包括多个电场可编程双稳态元件的存储单元，该存储单元具有至少第一数据状态和第二数据状态，该存储单元包括半导体晶体管，包括具有用于提供第一传导类型的杂质的第一区域；具有用于提供第一传导类型的杂质的第二区域；设置在第一区域和第二区域之间的主体区域，其中主体区域包括用于提供第二传导类型的杂质，其中第二传导类型与第一传导类型不同；以及从主体区域分离并且电耦合到主体区域的门极；连接到半导体晶体管的第一电场可编程双稳态元件，该电场可编程双稳态元件包括第一电极；第二电极；以及至少一个设置在第一和第二电极之间的电场可编程薄膜，其中电场可编程薄膜包括至少两个电阻状态，包括第一电阻状态和第二电阻状态；连接到半导体晶体管的第二电场可编程双稳态元件，该电场可编程双稳态元件包括第一电极；第二电极；以及至少一个设置在第一和第二电极之间的电场可编程薄膜，其中电场可编程薄膜包括至少两个电阻状态，包括第一电阻状态和第二电阻状态；并且其中存储单元是(1)当第一电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第一状态而第二电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第二状态时，在第一数据状态，以及(2)当第一电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第二状态而第二电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第一状态时，在第二数据状态。6.权利要求5的存储单元，其中的存储单元包括第三和第四数据状态并且其中当第一电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第一状态而第二电场可编程双稳态元件的电场可编程薄膜在第一状态时，存储单元在第三数据状态；并且当第一电场可编...

【专利技术属性】
技术研发人员：EC戈里尔，RJ默菲，CR斯兹曼达，
申请(专利权)人：罗姆和哈斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]