选择性非易失性存储器器件及相关联的读取方法

技术领域

本发明的技术领域是非易失性存储器的技术领域。本发明涉及一种集成非易失性存储器功能和选择性功能两者的器件。本发明还涉及该器件的读取方法。

背景技术

对于即使当切断电压时也需要信息存储的应用，常规地使用在场效应晶体管的浮动栅上执行电荷存储的EEPROM或FLASH类型的非易失性存储器。然而，这些存储器具有以下缺点：

-长写入时间(几微秒)，

-有限的密度，因为晶体管尺寸的减小导致读取信号的减少，即，存储器点的两种状态之间的差异的下降，以及信息的保留持续时间的减少，

-有限数量的写入循环，因为由于在晶体管的栅氧化物中产生缺陷，信息的保留随着发生写入循环而减少，允许电子从浮动栅逸出。

因此，这种类型的存储器不具有支持新技术，如SCM存储器(“存储级存储器”)的开发所要求的特性，已经看到这些新技术显著的增长，特别地由于它们在增加计算机的性能同时仍减少其消耗的能力。

最近，基于有源材料，如相变材料(PCRAM存储器或“相变RAM”，也称为PCM“相变存储器”)、具有离子导电(CBRAM存储器或“导电桥接RAM”)、具有金属氧化物(OxRAM存储器或“氧化物电阻RAM”)、铁电体(FERAM存储器或“铁电体RAM”)、磁性(MRAM存储器或“磁性RAM”)、或具有自旋转移的磁性(STTRAM存储器或“自旋扭矩转移RAM”)，已经出现其他类型的可重写非易失性存储器。这些存储器是电阻类型的(即，它们可以具有对应于从电阻状态(“断开”状态)切换至较小电阻状态(“导电”状态)的至少两个状态“断开”或“导电”)。

电阻存储器需要两个电极来运行。在PCRAM存储器的情况下，使用硫属元素化物材料，已知其无定形(电阻)相和其结晶(导电)相之间存在的电阻的显著对比。这种现象基于PCRAM相变存储器，其中，由于电脉冲，由焦耳效应引起相变，电脉冲的形状使得可以达到存储器内的特定温度分布。因此，PCRAM存储器包括基于硫属元素化物材料的有源区。PCRAM存储器的运行基于硫属元素化物材料的相变，该相变由其两个电极产生的特定电脉冲的作用下该材料的加热引起。在低电阻和热力学稳定的有序的结晶相与高电阻和热力学不稳定的无序的无定形相之间完成这种转变。

在此上下文中，基于最成熟的非易失性电阻存储器技术的PCRAM电阻存储器代表用于支持SCM存储器的开发的非常好的候选者。

最近，通过集成彼此堆叠的几层存储器，并且使得可以增加同一芯片表面的存储器密度，已经给予了具有3D类型集成的系统的可能性的极大关注。该3D集成基于“交叉”类型(也由术语称为“交叉点”)的集成的使用。PCRAM电阻存储器特别地具有能够经由“交叉”类型的集成被高密度集成的重要性。

这种架构200在图1中示出，并且包括多条存取线201、202、203和204以及非易失性可重写PCRAM类型的多个存储器单元(在此为四个单元C11、C21、C22和C12)。存取线由顶部平行位线201和202以及垂直于位线的底部字线203和204形成，基本单元C11、C21、C22和C12夹在位线201和202与字线203和204之间的相交处。因此，架构200形成其中通过选择正确的位线和正确的字线可以单独地寻址每个存储器单元的网络。

然而，这种类型的架构确实具有某些缺点。因此，通过期望行和期望列的极化来执行单元的状态的读取阶段；然后可以观察穿过相邻单元的寄生漏电流。我们在这里假设：

-单元C11处于断开状态(高电阻状态)；

-单元C21处于导电状态(低电阻状态)；

-单元C22处于导电状态(低电阻状态)；

-单元C12处于导电状态(低电阻状态)。

读取单元C11的电阻状态涉及分别地极化位线201和字线204(在这两条线之间施加电位差Vbias)。理论上，测量电流应仅根据虚线所示的箭头205流动。实际上，由于三个其他单元处于导电状态的事实，由箭头206表示的寄生漏电流(“潜通过”)穿过非电阻单元C21、C22和C12。该漏电流，特别是在待测量单元的相邻元件处于导电状态的不利情况下，可以干扰测量，直到防止待测量单元的导电状态与断开状态之间的区分。

该问题的已知解决方案包括与单元中的每个串联地添加p/n结二极管(例如，具有Si基极)207以起到选择器的作用。“二极管”类型的行为被定义为基于两个接入终端的器件的行为，具有高于电压V

然而，如图2中所示的架构还引起特别地与以下事实相关联的某些困难：具有Si基极的标准二极管不是最相关的解决方案，因为它们难以制造，它们在与电阻存储器的编程不兼容的“有源”状态下具有过大的串联电阻和低电流密度。由此，二极管在导电模式下保持有限的电流强度。因此，目前，对于给定的硅表面，不可能创建与存储器单元具有相同表面并且具有足够的通过电流I

这就是为何在过去的几年里已经研究过若干替代解决方案。在文献中，可以发现不同类型的选择器，如FAST(“场辅助超线性阈值”)、MIEC(“混合离子电子导电”)和OTS(“双向阈值切换”)。

选择装置由两个电极和有源材料组成，其中这些电极被布置在该有源材料的任一侧上，并且使得可以向此有源材料施加电压。在OTS型选择器的情况下，有源材料可以是硫属元素化物合金。图3中示出了选择器件的运行的基本原理。该器件在断开状态下是非常电阻性的。一旦大于阈值电压的电压施加到其上，电流快速地增加以达到装置的导电状态(低电阻状态)。一旦电流或电压减小到低于被称为“保持”或“保留”值的特定值，该器件就再次变为断开。因此，一旦达到阈值电压V

现在，交叉结构的主要问题是在存储器1R与选择器1S之间的电性能方面找到良好的折衷。为了能够与电阻存储器1R集成，选择器1S必须具有几种约束特异性。实际上，在选择器处于其“断开”状态时，其必须具有与存储器的尺寸接近的尺寸以及低漏电流I

为了进一步改善电阻存储器的集成密度，常规的解决方案是减小电阻存储器的有源材料与其底部电极之间的表面的尺寸，以便允许减小电阻存储器的编程电流。

根据存储的另一种方法，文章“一种使用新型阈值切换，自整流硫属元素化物的器件的无存取晶体管(0T/1R)的非易失性电阻随机存取存储器(RRAM)(an Access-Transistor-Free(0T/1R)Non-Volatile Resistance Random Access Memory(RRAM)Usinga Novel Threshold Switching，Self-Rectifying Chalcogenide Device)”(Yi-ChouChen et al.,IEDM 2003)描述了在器件中集成由硫属元素化物(Ge

然而，在文章“一种使用新型阈值切换，自整流硫属元素化物的器件的无存取晶体管(0T/1R)的非易失性电阻随机存取存储器(RRAM)(an Access-Transistor-Free(0T/1R)Non-Volatile Resistance Random Access Memory(RRAM)Using a Novel ThresholdSwitching，Self-Rectifying Chalcogenide Device)”中描述的器件还具有约10

发明内容

本发明通过提出一种非易失性存储器器件来提供对上文提及的问题的解决方案，该非易失性存储器器件被适配成集成到具有“交叉”型架构的器件中，并且使得可能克服与选择器串联的电阻存储器的使用约束。

本发明的第一方面涉及选择性非易失性存储器器件，该选择性非易失性存储器器件包括：

-第一电极；

-第二电极；

-至少一个由有源材料制成的层，称为有源存储器层，布置在第一电极与第二电极之间；

所述器件具有至少两个可编程存储器状态：

-与有源层的第一阈值电压V

-与严格地大于第一阈值电压V

根据本发明，有源层的材料由As2Te

由于本发明，提出了一种集成非易失性可重写存储器功能和选择性功能两者的器件。通过使用可以具有至少两个值V

因此，根据本发明的第一方面的器件可以被视为具有非易失性阈值切换(或“NVTS”)的选择性器件。所选择的材料是通过As

硫属元素化物材料将选择为在其无定形静态(断开状态)下具有非常高的电阻率，以及一旦经受大于其阈值电压的电压的强导电性，如所谓的“OTS”材料，但是具有可能的阈值电压调制的特殊性。

因此，该材料被有利地选择为在其运行期间不具有任何结晶。由于特定材料的选择，因此可以：

-保证非常大的亚阈值电阻，以便减少交叉类型的阵列中的漏电流；

-具有取决于所施加的脉冲的形状(特别地，根据脉冲的下降侧翼)的可编程阈值电压。

注意，根据本发明的该第一方面，对应于阈值电压状态V

最后，令人感兴趣的是观察到，本专利申请中的最高阈值电压的编程是通过施加给定编程电流和大于所述最高电压阈值的电压脉冲获得的(这背离根据本发明的第一方面的器件，其中，最高阈值电压V

除了在前述段落中刚刚已经提及的特征之外，根据本发明的一个方面的器件可以具有以下各项中的一个或多个附加特征，这些特征是单独地考虑或根据任何技术上可允许的组合：

-混合物包含按重量计大于15％，并且严格地小于60％百分比的As

-混合物包含按重量计实质上等于20％百分比的As

-根据第一阈值电压V

-有源层由As

-有源层由层的堆叠构成，其中，每个层具有小于或等于5nm的厚度。这些层一起形成由As

本发明的第二方面涉及一种用于在根据本发明的器件中写入第二存储器状态的方法，通过施加给定编程电流和包括在V

本发明的第三方面涉及一种用于在根据本发明的器件中写入第一存储器状态的方法，通过施加大于V

有利地，大于V

本发明的第四方面涉及一种用于读取根据本发明的器件的存储器状态的方法，该方法包括以下步骤：施加严格地大于V

当阅读以下描述时和当检查附图时，将更好地理解本发明及其不同应用。

附图说明

这些图是为了信息的目的而示出的，并且决不限制本发明。

图1示出了根据现有技术的多个存储器单元的第一寻址架构；

图2示出了根据现有技术的多个存储器单元的第二寻址架构；

图3示出了解释选择性器件的运行原理的图表；

图4示出了根据本发明的第一方面的器件的图示；

图5示出了根据在器件的底部电极与顶部电极之间施加的电压，通过图4的器件的对数标度上的电流的变化；

图6示意性地示出了使得可以使用图4的器件作为存储器的编程和读取脉冲的实施例；

图7示出根据图4的器件的有源层的三种材料的编程脉冲的下降侧翼的斜率，阈值电压的行为；

图8示出了根据图4的器件的有源层的三种材料的编程脉冲的下降侧翼的斜率，亚阈值电流的行为；

图9示出了图4的器件的编程脉冲的下降侧翼“斜坡率”的斜率；

图10示出了根据用于有源层的四个不同厚度的电压阈值，用于图4的器件的有源层的材料的实施例的电压阈值的变化。

图11示出了编程脉冲的另一实施例。

具体实施方式

除非另外提及，出现在不同图上的相同元件具有唯一的附图标记。

图1已经参考现有技术进行了描述。

图2已经参考现有技术进行了描述。

图3已经参照现有技术进行了描述。

图4示出了根据本发明的第一方面的器件1的图示。

图5示出了根据在器件的底部电极与顶部电极之间施加的电压，通过图4的器件的对数标度上的电流的变化；

图6示意性地示出了使得可以使用图4的器件作为存储器的编程和读取脉冲的实施例；

图7示出根据图4的器件的有源层的三种材料的编程脉冲的下降侧翼的斜率，阈值电压的行为；

图8示出了根据图4的器件的有源层的三种材料的编程脉冲的下降侧翼的斜率，亚阈值电流的行为；

图9示出了图4的器件的编程脉冲的下降侧翼“斜坡率”的斜率；

图10示出了根据用于有源层的四个不同厚度的电压阈值，用于图4的器件的有源层的材料的实施例的电压阈值的变化。

图11示出了编程脉冲的另一实施例。

如下文应当看到的，器件1是用作非易失性存储器和选择器的器件，其中，这两个功能被集成到同一器件1中，该器件包括：

-第一电极或底部电极3；

-第二电极或顶部电极4；

-由有源材料制成的层2，称为有源存储层，设置在第一电极与第二电极之间。

器件的顶部电极被定义为位于此器件上方的电极，并且器件的底部电极被定义为位于此器件下方的电极，这些电极位于器件的每一侧上。当然，形容词“顶部”和“底部”在此相对于包括顶部电极、器件和底部电极的组件的定向到这样的程度：当翻转该组件时，先前被认定为顶部的电极变成底部电极，并且先前被认定为底部的电极变成顶部电极。同样，电极的垂直布置也可设置有在两个电极3和4之间布置的有源层2。

底部3和顶部4电极各自实施导电材料，该导电材料对于两个电极3和4可以是不同的或相同的。这样的导电材料例如是TiN、TaN、W、TiWN、TiSiN或WN。

例如，有源层2是通过混合(例如通过共溅射)As

选择有源层2的材料以允许器件1在其无定形静止状态(所谓的“断开”状态)下具有非常强的电阻率，以及一旦经受大于阈值电压的电压就具有强的导电性。所选择的材料的特殊性允许对该阈值电压的调制，该阈值电压可以具有若干值(至少两个阈值电压V

因此，当器件1具有阈值电压V

当器件1具有严格地大于第一阈值电压V

被选择用于有源层2的材料的特殊性将能够根据器件1的电编程脉冲的类型提供阈值电压V

应理解的是，只要与PCRAM或CBRAM类型的电阻存储器相反，存储器状态就不取决于器件1的电阻率，而是取决于阈值电压的值V

此外，具有严格地小于10

因此，器件1是非易失性存储器器件(具有作为存储器信息的阈值电压)和选择器(具有非常低的漏电流)两者。

在下文中将解释参见图6对根据本发明的器件1的编程和读取。图6示出了根据时间的编程电压脉冲(三个脉冲100、101和102)和读取的实施例，使得可以使用根据本发明的器件1作为存储器。注意，编程电压和读取电压可以在极性上反转，因为根据本发明的器件对具有反转符号的脉冲同样做出响应。因此，当参考具有小于第二阈值电压V

脉冲100(称为RESET)是使器件1达到由第二阈值电压V

根据第一配置，器件1已经处在由第二阈值电压V

编程脉冲的下降持续时间与阈值电压之间的关联在图7中示出，图7示出了对于有源层Mat1、Mat2和Mat3的三种材料，阈值电压V

有源材料Mat1是As

有源材料Mat2是As

有源材料Mat3是As

图9中定义了下降侧翼的斜率(“斜坡率”)。这是编程电压脉冲的最大幅度和下降侧翼的持续时间之间的比率。在其它方面，对于给定幅度，下降侧翼的持续时间越短，斜率越大。

在图7中观察到，对于材料Mat1，阈值电压随着下降侧翼的斜率显著地增加。由此，对于组合物Mat1，存在阈值电压V

因此，如果器件处在由阈值电压V

脉冲101(称为设置)是用于使器件1达到由第一阈值电压V

在此，与复位编程相反，脉冲101的效应独立于起始存储器状态。因为编程脉冲101具有超过第二阈值电压V

在图7中观察到，材料Mat1相对于材料Mat2和Mat3具有最大存储器窗口(并且因此，第一阈值电压V

有利地，用于有源层2的合金在器件1作为NVTS的运行期间不具有任何结晶。

这种类型的行为与在施加具有足够长的下降侧翼的脉冲期间发生的材料结构的重组有关，引起器件的阈值电压的降低。应当强调，即使对于As

通常地，用于对根据本发明的器件进行编程的方法包括：

-复位步骤，包括根据器件1的有源层的材料，施加包括在V

-设置步骤，包括根据器件1的有源层的材料，施加具有预定的非零持续时间的预定下降侧翼的大于V

图8示出了对于器件1的有源层2的三种材料Mat1、Mat2和Mat3，根据编程脉冲的下降侧翼的斜率，亚阈值电流(“漏电流”)的行为。观察到，对于三种材料Mat1、Mat2和Mat3，该亚阈值电流保持在远小于10

图6中所示的脉冲102是使得可以读取器件1的存储器状态的脉冲。读取脉冲102由具有在第一阈值电压V

通常地，根据本发明的用于读取器件的存储器状态的方法包括施加严格地大于V

鉴于编程脉冲的斜率对有源层2的材料的影响，可以考虑V

还应注意，有源层的厚度有利地根据第一阈值电压V

虽然在d’As

不同层(电极、有源层)的沉积技术是本领域技术人员熟知的。这些可以是例如，物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)类型的技术。

当然，仅出于示例的目的给出了上文提出的编程；可以考虑智能编程，其中，脉冲可以取决于器件的初始编程状态。例如，这是当根据本发明的器件刚刚被读取，并且待编程状态对应于刚刚被读取的状态时的情况：在这种情况下，可以克服编程脉冲。

同样地，使得可以获得处于存储器状态V

图6和图11的每个脉冲的总持续时间被选择为保证器件的切换(如果需要的话)以及编程电流通过足够的持续时间特别地达到状态V

在替代方案中，根据本发明的器件可以与电阻存储器串联地共集成，以产生使得可以使用根据本发明的器件的选择特性来访问(读取和编程)电阻存储器和同时具有内在的存储器特性的器件。