半导体装置

技术领域

本公开总体上涉及半导体装置，更具体地，涉及一种包括可变电阻层的半导体装置。

背景技术

一直在对能够满足设计规则减少和集成度增加的要求的半导体装置进行研究。在示例中，在非易失性存储器装置领域中已出现了具有与传统闪存装置的结构和操作机制不同的结构和操作机制的电阻变化存储器装置。

电阻变化存储器装置可包括具有交叉点结构的存储器单元阵列。电阻变化存储器装置的存储器单元可配置有一对电极和设置在这一对电极之间的可变电阻层。电阻变化存储器装置是存储器单元中的可变电阻层的电阻状态在高电阻状态和低电阻状态之间变化的非易失性存储器装置，并且其可存储与电阻状态对应的数据。

最近，一直对用于确保电阻变化存储器装置的电可靠性的技术进行积极的研究。

发明内容

根据本公开的实施方式，一种半导体装置包括：位线；第一屏障层，其设置在位线上；可变电阻层，其设置在第一屏障层上；第二屏障层，其设置在可变电阻层上；以及字线，其设置在第二屏障层上。第二屏障层的介电常数大于第一屏障层的介电常数。

根据本公开的另一实施方式，一种半导体装置包括：位线，其在第一方向上延伸；字线，其在垂直于第一方向的第二方向上延伸；以及具有柱结构的存储器单元，其设置在位线和字线彼此交叠的区域中。存储器单元包括与位线相邻的第一屏障层、与字线相邻的第二屏障层以及位于第一屏障层和第二屏障层之间的可变电阻层。第二屏障层的介电常数大于第一屏障层的介电常数。

根据本公开的另一实施方式，一种半导体装置包括：第一位线，其在第一方向上延伸；第一存储器单元，其与第一位线的顶表面的一部分交叠；字线，其在第一存储器单元上在垂直于第一方向的第二方向上延伸；第二存储器单元，其与字线的顶表面的一部分交叠；以及第二位线，其在第二存储器单元上在第一方向上延伸。第一存储器单元包括第一可变电阻层。第二存储器单元包括第二可变电阻层。第一可变电阻层和第二可变电阻层包括过渡金属氧化物。

附图说明

现在将在下文参照附图更充分地描述示例实施方式；然而，其可按照不同的形式具体实现，不应被解释为限于本文中所阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式以使得本领域技术人员将能够理解本公开。

在附图中，为了例示清晰，尺寸可能被夸大。将理解，当元件被称为在两个元件“之间”时，其可以是这两个元件之间的仅有元件，或者也可存在一个或更多个中间元件。相似的标号始终表示相似的元件。

图1是示出根据本公开的实施方式的半导体装置的示图。

图2是示出根据本公开的实施方式的半导体装置的示图。

图3是根据本公开的实施方式的半导体装置的截面图。

图4示出根据本公开的实施方式的处于不施加电场的状态的存储器单元的能带图。

图5A和图5B示出能带图，示出根据本公开的实施方式的半导体装置的第一写操作。

图6A和图6B示出能带图，示出根据本公开的实施方式的半导体装置的第二写操作。

图7是示出根据本公开的实施方式的存储器单元的电压-电流特性的示图。

具体实施方式

为了描述根据本公开的概念的实施方式，本文所公开的具体结构和功能描述仅是例示性的。根据本公开的概念的实施方式可按照各种形式实现，不应被解释为限于本文所阐述的实施方式。

一些实施方式提供了一种包括可变电阻层的半导体装置。

将理解，尽管本文中可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件相区分，并非意指暗示元件的数量或顺序。因此，在不脱离本公开的教导的情况下，下面讨论的“第一”元件也可被称为“第二”元件。

图1是示出根据本公开的实施方式的半导体装置的示图。

参照图1，半导体装置1可形成为多层面(multi-deck)结构。在实施方式中，半导体装置1可包括第一层面的第一存储器单元阵列和第二层面的第二存储器单元阵列。第二存储器单元阵列可设置在第一存储器单元阵列上。

第一存储器单元阵列可包括多个第一存储器单元150A，多个第一存储器单元150A连接到在彼此交叉的方向上延伸的多条第一位线110A和多条字线160。在实施方式中，多条第一位线110A可在第一方向D1上延伸，多条字线160可在第二方向D2上延伸。多条字线160可在第三方向D3上与多条第一位线110A间隔开。各个第一存储器单元150A可设置在第一位线110A和字线160之间。

第二存储器单元阵列可包括多个第二存储器单元150B，多个第二存储器单元150B连接到在彼此交叉的方向上延伸的多条字线160和多条第二位线110B。在实施方式中，第一存储器单元阵列和第二存储器单元阵列可共享多条字线160。然而，本公开的实施方式不限于此，用于第二存储器单元阵列的多条字线可单独地设置在多条字线160上。多条第二位线110B可平行于多条第一位线110A延伸。多条第二位线110B可在第三方向D3上与多条字线160间隔开。各个第二存储器单元150B可设置在字线160和第二位线110B之间。

多条第一位线110A和多条第二位线110B可包括掺杂半导体、金属、导电金属氮化物、导电金属碳化物、导电金属硅化物或导电金属氧化物。在示例中，多条第一位线110A和多条第二位线110B可包括硅、钨、钛、铜、铝、钌、铂、铱、氧化铱、氮化钨、氮化钛、氮化钽、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽、氧化钌或者其中两种或更多种的任何组合，其掺杂有n型或p型掺杂剂。

第一存储器单元150A可包括位于第一位线110A上的第一屏障层120A、位于第一屏障层120A上的第一可变电阻层130A以及位于第一可变电阻层130A上的第二屏障层140A。第一屏障层120A、第一可变电阻层130A和第二屏障层140A可在第一位线110A和字线160彼此交叠的区域中层叠在第一位线110A和字线160之间。

第一屏障层120A可执行控制第一位线110A和第一可变电阻层130A之间的电子隧穿的功能。电子可从第一位线110A隧穿第一屏障层120A，从而在第一可变电阻层130A中被捕获。

第一屏障层120A可包括介电材料。在示例中，第一屏障层120A可包括氧化物、氮化物、氮氧化物或者其中两种或更多种的任何组合。在特定示例中，第一屏障层120A可包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝等。

第一可变电阻层130A可包括在金属和氧之间具有不完全键合的金属氧化物。第一可变电阻层130A可具有出现在不完全键合中的缺陷。在实施方式中，第一可变电阻层130A可包括不满足化学计量比的金属氧化物。金属氧化物可以是过渡金属氧化物。在实施方式中，金属氧化物可包括氧化铪、氧化锆、氧化钽、氧化钛、氧化钨或者其中两种或更多种的任何组合。

第二屏障层140A可防止分布在第一可变电阻层130A内的电子传导到字线160。第二屏障层140A可由介电常数大于第一屏障层120A的介电常数的材料形成。

在实施方式中，第二屏障层140A可包括铁电体。可利用铁电体的极化现象抑制电子在字线160中从第一可变电阻层130A通过第二屏障层140A的流动。因此，在本公开的实施方式中，第一可变电阻层130A的数据保持特性可改进。另外，可利用铁电体的极化现象确保低电阻状态读取中的高电流。因此，在本公开的实施方式中，低电阻状态的读操作和高电阻状态的读操作之间的电流量差异可增加，因此读窗口可增加。

第二屏障层140A的厚度可比第一屏障层120A的厚度厚。因此，在施加操作电压时电子通过第一屏障层120A的隧穿效率可改进，并且电流通过第二屏障层140A的泄漏可减少。

第一屏障层120A、第一可变电阻层130A和第二屏障层140A可形成柱结构。在实施方式中，柱结构可具有圆柱、椭圆柱或多边形柱的形式。

字线160可通过第二屏障层140A与第一可变电阻层130A间隔开。字线160可在第二方向D2上延伸。字线160可包括导电材料。在实施方式中，导电材料可包括掺杂半导体、金属、导电金属氮化物、导电金属碳化物、导电金属硅化物或导电金属氧化物。

可通过将预定操作电压施加到第一位线110A和字线160，使得电子在第一可变电阻层130A内的陷阱点中被捕获来执行对第一存储器单元150A的第一写操作。第一存储器单元150A可通过第一写操作被编程为低电阻状态。电子可通过第一写操作的操作电压隧穿第一屏障层120A，从而在第一可变电阻层130A中被捕获。在实施方式中，可通过将与第一位线110A相比相对高的电压施加到字线160来执行第一写操作。当第一写操作结束时，第一可变电阻层130A的陷阱点可维持电子在第一可变电阻层130A的陷阱点中被捕获的状态。因为第二屏障层140A由铁电体形成，所以第二屏障层140A的极化强度通过在第一可变电阻层130A中捕获的电子而增强，以使得第一可变电阻层130A的数据保持特性可改进。第一可变电阻层130A的电阻可根据在陷阱点中捕获的电子的量而变化。因此，控制在陷阱点中捕获的电子的量，以使得可实现具有与多个电阻值对应的多个低电阻状态的多级单元。

因为第二屏障层140A的介电常数形成为大于第一屏障层120A的介电常数，所以在施加第一写操作的操作电压时施加到第一屏障层120A的电场可高于施加到第二屏障层140A的电场。因此，在第一写操作期间，电子通过第一屏障层120A的隧穿效率可改进，并且电子在第二屏障层140A中的隧穿可减少。

第二存储器单元150B可包括位于字线160上的第三屏障层120B、位于第三屏障层120B上的第二可变电阻层130B以及位于第二可变电阻层130B上的第四屏障层140B。第三屏障层120B、第二可变电阻层130B和第四屏障层140B可在字线160和第二位线110B彼此交叠的区域中层叠在字线160和第二位线110B之间。第三屏障层120B可与第二屏障层140A相同地配置。第二可变电阻层130B可与第一可变电阻层130A相同地配置。第四屏障层140B可与第一屏障层120A相同地配置。

根据本公开的上述实施方式，与分别与第一位线110A和第二位线110B相邻的第一屏障层120A和第四屏障层140B相比，与字线160相邻的第二屏障层140A和第三屏障层120B由具有大介电常数的材料较厚地形成，以使得第一存储器单元150A和第二存储器单元150B的数据保持特性和泄漏电流特性可改进。另外，与字线160相邻的第二屏障层140A和第三屏障层120B由铁电体形成，以使得可利用极化现象改进数据保持特性和泄漏电流特性。

图2是示出根据本公开的实施方式的半导体装置的示图。

参照图2，半导体装置可包括具有单层面结构的存储器单元阵列。类似于参照图1描述的第一存储器单元阵列，存储器单元阵列可包括连接到在彼此交叉的方向上延伸的多条位线110和多条字线160的多个存储器单元150。类似于第一存储器单元150A，存储器单元150可包括层叠在位线110和字线160之间的第一屏障层120A、可变电阻层130和第二屏障层140A。

图3是根据本公开的实施方式的半导体装置的截面图。

参照图3，半导体装置可包括位于位线110和字线160之间的存储器单元150。如参照图1和图2描述的，存储器单元150可包括设置在位线110上的第一屏障层120A、设置在第一屏障层120A上的可变电阻层130以及设置在可变电阻层130上的第二屏障层140A。以下，将省略与图1和图2所示的组件相同的组件的重复描述。

可变电阻层130可包括在金属和氧之间具有不完全键合的金属氧化物。可变电阻层130可包括陷阱点Ts。陷阱点Ts可由出现在不完全键合中的缺陷形成。

可变电阻层130可通过施加到位线110和字线160的操作电压而被编程为低电阻状态或高电阻状态。

在用于编程为低电阻状态的第一写操作中，电子可在陷阱点Ts中被捕获。随着在电子在陷阱点Ts中被捕获的状态下分布的电子的量增加，可变电阻层130的电阻可减小。结果，可变电阻层130可具有根据陷阱点Ts中捕获的电子的量来彼此区分的多个电阻状态。

在用于编程为高电阻状态的第二写操作中，陷阱点Ts中捕获的电子的量可减少。

第二屏障层140A的厚度t2可比第一屏障层120A的厚度t1厚。因此，电子隧穿第一屏障层120A的效率可改进，并且通过第二屏障层140A的泄漏电流可减小。

第二屏障层140A的介电常数可大于第一屏障层120A的介电常数。因此，电子隧穿第一屏障层120A的效率可改进，并且通过第二屏障层140A的泄漏电流可减小。第二屏障层140A可包括铁电体。如参照图1描述的，可利用铁电体的极化现象减小泄漏电流，并且存储器单元150的数据保持特性可改进。

图4示出根据本公开的实施方式的在没有施加电场的状态下存储器单元的能带图。图5A和图5B示出能带图，示出根据本公开的实施方式的半导体装置的第一写操作。图6A和图6B示出能带图，示出根据本公开的实施方式的半导体装置的第二写操作。在以下附图中，Ef

参照图3和图4，在没有电场施加到存储器单元的初始状态下位线110的费米能级Ef

参照图3和图5A，为了低电阻状态的第一写操作，可在位线110接地的状态下将正电压施加到字线160。因此，字线160可具有相对高的电位，位线110可具有相对低的电位。

根据第一写操作的操作电压的施加，第一屏障层120A、可变电阻层130和第二屏障层140A的能带可能弯曲。因为第一屏障层120A的介电常数小于第二屏障层140A的介电常数，所以第一屏障层120A的能带弯曲的程度可大于第二屏障层140A的能带弯曲的程度。因此，电子变得容易隧穿第一屏障层120A，因此电子的隧穿效率可改进。隧穿第一屏障层120A的电子可在可变电阻层130的陷阱点Ts中被捕获。

随着陷阱点Ts中捕获的电子的量增加，与图4所示的初始状态相比可变电阻层130的电阻可减小。

陷阱点Ts中捕获的电子的量可与第一写操作的操作电压(例如，字线的电压)的大小成比例。随着操作电压的大小增加，陷阱点Ts中捕获的电子的量可增加。结果，可变电阻层130可被编程为彼此区分的多个电阻状态中的任一个。

在实施方式中，操作电压可按脉冲形式施加。当施加操作电压时，陷阱点Ts中捕获的电子的量可随着脉冲电压施加的次数增加而增加。结果，随着脉冲电压施加的次数增加，可变电阻层130的电阻可减小。

参照图3和图5B，在第一写操作结束之后，可变电阻层130的陷阱点Ts可保留捕获的电子。因此，可变电阻层130可维持低电阻编程状态。

因为第二屏障层140A包括铁电体，所以可通过第二屏障层140A的极化现象改进电子的隧穿效率。可通过陷阱点Ts中捕获的电子来增强第二屏障层140A的极化强度。因此，可变电阻层130的陷阱点Ts中捕获的电子被保留的特性可改进，因此存储器单元150的操作可靠性可改进。

在实施方式中，在对存储器单元150的读操作中，可在位线110接地的状态下将具有正极性的单元读电压施加到字线160。单元读电压的大小可使得在低电阻状态下可变电阻层130中的陷阱点TS中捕获的电子的分布状态不改变。基于单元读电压来测量存储器单元150中流动的电流，以使得可读取存储器单元150的电阻状态。当存储器单元150通过第一写操作被编程为低电阻状态时，与高电阻状态下的电流相比，高电流可通过单元读电压在存储器单元150中流动。

参照图3和图6A，为了高电阻状态下的第二写操作，与位线110相比相对低的电压可施加到字线160。即，与第一写操作相比，可通过向存储器单元施加反偏压来执行第二写操作。在实施方式中，可在位线110接地的状态下将正电压施加到字线160。在另一实施方式中，可在字线160接地的状态下将正电压施加到位线110。因此，字线160可具有相对低的电位，位线110可具有相对高的电位。

根据第二写操作的操作电压的施加，第一屏障层120A、可变电阻层130和第二屏障层140A的能带可能弯曲。因为第一屏障层120A的介电常数小于第二屏障层140A的介电常数，所以第一屏障层120A的能带弯曲的程度可大于第二屏障层140A的能带弯曲的程度。因此，电子变得容易隧穿第一屏障层120A，因此电子的隧穿效率可改进。在第二写操作中，可变电阻层130的陷阱点Ts可通过电子隧穿而变空。因此，与通过第一写操作编程的存储器单元相比，可变电阻层130的电阻可增加。

通过电子隧穿从陷阱点Ts留下或移除的电子的量可与第二写操作的操作电压的绝对值成比例。随着操作电压的绝对值增加，从陷阱点Ts留下或移除的电子的量可增加。

在实施方式中，在第二写操作中，可向存储器单元150施加与要从填充有电子的整个陷阱点Ts留下或移除的电子的量对应的操作电压。在另一实施方式中，在第二写操作中，可向存储器单元150施加与要从填充有电子的陷阱点Ts的一部分留下或移除的电子的量对应的操作电压。

在实施方式中，第二写操作的操作电压可按脉冲形式施加。当施加操作电压时，可变电阻层130的电阻可随着脉冲电压施加的次数增加而增加。

在实施方式中，可通过施加脉冲电压足够多的次数来从整个陷阱点Ts留下或移除电子。在另一实施方式中，可通过控制脉冲电压施加的次数来从陷阱点Ts的一部分留下或移除电子。

参照图3和图6B，在第二写操作结束之后，可变电阻层130的陷阱点Ts可维持去陷阱状态。因此，可变电阻层130可维持高电阻编程状态。

如参照图5B描述的，在对存储器单元150的读操作中，可在位线110接地的状态下将具有正极性的单元读电压施加到字线160。当存储器单元150被编程为高电阻状态时，与低电阻状态下的电流相比，低电流可通过单元读电压在存储器单元中流动，或者存储器单元150的状态可被读取为截止状态。

图7是示出根据本公开的实施方式的存储器单元的电压-电流特性的示图。图7所示的BX表示铁电体的特性，Bo表示普通电介质(例如，二氧化硅(SiO

参照图7，由于图5A中描述的第一写操作的操作电压在从0V增加的同时被施加，所以读取时从存储器单元输出的电流可沿着第一路线R1增加。输出电流可对应于可变电阻层的电阻根据编程电压的变化。

在实施方式中，当使用图3所示的第二屏障层140A时，由于极化状态所导致的影响，从存储器单元输出的电流可增加。

另外，当在第一电压Va作为操作电压施加之后第一写操作的操作电压减小至0V时，在通过可变电阻层的同时输出的电流可沿着第二路线R2减小。

此外，由于图6A中描述的第二写操作的负操作电压的大小在从0V增加的同时被施加，所以在通过可变电阻层的同时输出的电流可沿着第三路线R3增加。输出电流可对应于存储器单元的电阻的变化。沿着第三路线R3增加的电流的大小和增量可小于沿着第一路线R1增加的电流的大小和增量。

另外，当在第二电压Vb作为第二写操作的操作电压施加之后负操作电压的大小再次减小至0V时，从存储器单元输出的电流可沿着第四路线R4减小。存储器单元可存储通过第二电压Vb的施加而增加的电阻状态。

从根据第二写操作被编程为高电阻状态的存储器单元输出的电流可小于从根据第一写操作被编程为低电阻状态的存储器单元输出的电流。第二写操作中的存储器单元表示自整流特性。

根据本公开，铁电体设置在可变电阻层和字线之间。因此，可利用铁电体的极化现象减小存储器单元的操作电流，并且存储器单元的数据保持特性可改进。因此，包括可变电阻层的半导体装置的操作可靠性可改进。

尽管参考其特定实施方式示出和描述了本公开，但本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种改变。因此，本公开的范围不应限于上述实施方式，而是应该不仅由所附权利要求，而且由其等同物确定。

在上述实施方式中，所有步骤可选择性地执行，或者一些步骤可被省略。在各个实施方式中，步骤未必根据所描述的顺序执行，并且可重新布置。本说明书和附图中公开的实施方式仅是为了方便理解本公开的示例，本公开不限于此。即，对于本领域技术人员而言应该显而易见的是，可基于本公开的技术范围进行各种修改。

此外，在附图和说明书中描述了本公开的实施方式。尽管这里使用了特定术语，但这些仅是为了描述本公开的实施方式。因此，本公开不限于上述实施方式，可在本公开的精神和范围内进行许多变化。对于本领域技术人员而言应该显而易见的是，除了本文所公开的实施方式之外，可基于本公开的技术范围进行各种修改。

相关申请的交叉引用

本申请要求2022年7月7日提交于韩国知识产权局的韩国专利申请号10-2022-0083907的优先权，其完整公开通过引用并入本文。