存储器选择器的制作方法

存储器选择器
1.本专利申请主张应该被视为形成本公开的一部分的法国专利申请fr19/04900的优先权。
技术领域
2.本公开一般地涉及电子设备，更具体地说，涉及电阻式存储器及其选择器。更具体地说，本公开适用于给定选择器的构成。


背景技术：

3.集成在“1t1r”型阵列中的电阻式随机存取存储器是已知的。这些阵列由包含一个晶体管和一个电阻单元的结构组成。在这种结构中，晶体管用作选择器。该选择器使得存取电阻式存储单元成为可能，以便在给定的存储单元中进行读取或写入或擦除或编程操作(编程＝写入和擦除)，同时限制存储阵列其余部分中不希望有的漏电流。
4.与电阻单元的选择器相比，当前在存储阵列中使用的选择器具有大尺寸。因此，这影响了存储阵列的密度。


技术实现要素：

5.需要优化当前的选择器元件。
6.一个实施例解决了已知选择器元件的全部或部分缺陷。
7.一个实施例提供了一种用于存储单元的选择器，其旨在从电阻状态变为导通状态以分别禁止或授权对所述存储单元的存取，其特征在于由锗、硒、砷和碲构成的gs-at合金制成。
8.根据一个实施例，所述gs-at合金为ge3se7as2te3。
9.根据一个实施例，所述gs-at合金具有介于20％至80％之间的砷碲at化合物含量。
10.根据一个实施例，所述gs-at合金具有40％的砷碲at化合物含量。
11.根据一个实施例，所述gs-at合金通过物理气相沉积获得。
12.根据一个实施例，所述选择器为双向阈值开关。
13.一个实施例提供了一种存储点，包括：
14.电阻式存储元件；以及
15.所述的选择器开关。
16.根据一个实施例，砷、碲、锗和硒的比例使得所述选择器的阈值电压(vth)大于或等于电阻式存储元件的编程电压。
17.根据一个实施例，砷碲at化合物的含量和锗硒gs化合物的含量使得所述选择器的阈值电压大于或等于所述电阻式存储元件的编程电压。
18.根据一个实施例，砷碲at化合物的含量和锗硒gs化合物的含量使得所述选择器的阈值电流小于或等于所述电阻式存储元件的状态切换电流。
19.一个实施例提供了一种具有多个上述存储点的存储器。
20.根据一个实施例，所述存储器是电阻式氧化物存储器或导电链路随机存取存储器。
21.根据一个实施例，每个存储点串联地包括：
22.所述选择器；
23.所述电阻式存储元件；以及
24.介于所述选择器和所述电阻式存储元件之间的导电层。
25.根据一个实施例，所述存储点被组织为阵列。
26.根据一个实施例，每个存储点介于第一导体和第二导体之间。
27.一个实施例提供了这样一种包括由所述导体隔开的所述存储点的三维堆叠的存储器。
28.一个实施例提供了一种制造存储器的方法，包括以下步骤：
29.制造至少一个电阻式存储元件；以及
30.与所述电阻式存储元件相关地制造由锗、硒、砷和碲构成的合金制成的至少一个选择器。
附图说明
31.上述以及其他特征和优点将在以下以举例说明而非限制方式给出的特定实施例的描述中，参考附图进行详细描述，其中：
32.图1是存储器的一个实施例的简化透视图；
33.图2示意性地示出了存储点阵列的一个实施例；
34.图3示出了存储点的一个实施例的电流/电压特性；
35.图4示出了选择器元件的一个实施例的特征量的变化曲线；
36.图5示出了选择器元件的一个实施例的特征量的另一变化曲线；以及
37.图6在视图a和b中示出了选择器元件的一个实施例的特征量的又一变化曲线。
具体实施方式
38.在各个图中，相似的特征由相似的附图标记指定。特别地，各种实施例中共同的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。
39.为了清楚起见，仅详细说明和描述了对理解这里描述的实施例有用的操作和元件。特别地，存储点可以包括未描述的元件，例如电连接。
40.除非另有说明，否则当提及两个连接在一起的元件时，这意味着除了导体之外没有任何中间元件的直接连接，并且当提及两个耦合在一起的元件时，这意味着这两个元件可以连接，或者可以经由一个或多个其他元件耦合。
41.在以下公开中，除非另有说明，否则当提及绝对位置限定词，例如术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“左”、“右”等，或相对位置限定词，例如术语“上方”、“下方”、“较高”、“较低”等，或取向限定词，例如“水平”、“垂直”等时，参考图中所示的取向，如正常使用期间的方向。
42.除非另有说明，否则表述“大约”、“近似”、“基本上”和“约为”表示在10％以内，优选地在5％以内。
43.图1是存储器1的一个实施例的简化透视图。
44.根据该实施例，存储器1包括能够存储数据项的全部或部分的存储点或单元3。存储器1还具有电导体50、51、52、53、54和55。这些导体50、51、52、53、54和55由诸如铜之类的导电金属材料制成。
45.图1中的导体50、51、52、53、54和55以当从上方观察时形成阵列的方式布置，其中每个相交点或交叉点对应于一个存储点位置。在导体50、51、52、53、54和55中，第一导体50、52和54形成相互平行且规则间隔的直线条。在导体50、51、52、53、54和55中，第二导体51、53和55也形成相互平行且均匀间隔的直线条。当从上方观察时，第一导体50、52和54垂直于第二导体51、53和55布置。然而，导体50、51、52、53、54和55彼此不直接连接。
46.在图1中，一方面的第一导体50、52和54和另一方面的第二导体51、53和55不共面，而是相隔对应于存储点3的高度(记为h)的距离。存储器1的每个存储点3因此介于以下导体之间：
47.第一导体50、52和54中的第一导体；以及
48.第二导体51、53和55中的第二导体。
49.在图1中，从上方观察，每个存储点3具有正方形形状，其一边的长度为p/2。该测量值p/2相当于由存储器1的导体50、51、52、53、54和55形成的阵列的称为“间距”p的量的一半。与同一导体50、51、52、53、54或55接触的存储点3规则地间隔开也相当于p/2的距离，该距离对应于阵列间距的一半。仍然在图1中，导体50、51、52、53、54和55具有矩形形状，其中短边等于间距的一半，p/2。
50.根据一个实施例，存储器1具有三维结构，包括由导体隔开的存储点层的堆叠。在图1所示的示例中，存储点3布置在第二导体51、53和55下方。这些存储点3的底部与导体(未示出)接触，这些导体与第二导体51、53和55正交地布置(如第一导体50、52和54)。
51.根据优选实施例，每个存储点3包括一个堆叠，其串联地限定以下项的电连接：
52.电阻式存储元件31；
53.导电材料层35，例如金属层35；以及
54.选择器元件33或选择器33。
55.在图1中，存储点3的选择器元件33与第一导体50、52和54中的第一导体接触。电阻式存储元件31继而与第二导体51、53和55中的第二导体接触。金属层35介于电阻式存储元件31和选择器元件33之间。存储器1的每个存储点3连同与其接触的第一和第二导体因此形成沿同一轴线堆叠的结构，其中包括：
56.由选择器元件33、第一导体50、52或54以及金属层35的一部分构成第一结构；以及
57.由电阻式存储元件31、第二导体51、53或55以及金属层35的另一部分构成的第二结构。
58.导体50、51、52、53、54和55使得可以对存储器1的存储点3进行寻址。实际上，每个存储点3都连接到它自己的导体对，包括第一和第二导体。
59.为了在存储器1的存储点3的电阻式存储元件31中进行读取或写入，首先选择所考虑的存储点3。例如，通过在形成专用于所考虑的存储点3的导体对的两个导体之间施加电势差来进行选择。该电势差具有足够的值以使得可以修改选择器元件33的状态，以便电流可以流过所考虑的存储点3。可以基于电流强度在存储点3中进行读取或写入。
60.一旦完成读取或写入操作，就不再在形成专用于所考虑的存储点3的导体对的两
个导体之间施加电势差。这具有使选择器元件33返回到初始或静止状态的效果。
61.在存储点3中执行读取或写入操作期间，标记为ileak的漏电流寄生于与专用于所考虑的存储点3的导体对中的两个导体之一接触的其他存储点。该漏电流ileak源于实际上静止的选择器元件33不具有无限电阻的事实。
62.在基于氧化物的电阻式存储器(oxram)1中，电阻式存储器元件31优选地由二氧化铪(hfo2)和钛(ti)构成。例如，二氧化铪(hfo2)和钛(ti)形成双层。在先前描述的堆叠结构中，形成电阻式存储元件31的钛层可选地定位成与存储点3的金属层35或第二导体51、53或55接触。
63.介于存储元件31和选择器元件33之间的金属层35例如由氮化钛(tin)制成。
64.在一个变型中，存储器1是导电桥接随机存取存储器(cbram)。
65.选择器元件33是双向阈值开关(ots)。例如，选择器元件33由非晶硫属化物材料制成。非晶硫属化物材料的一个特性是，当向它们施加大于阈值电压(vth)的电压时，它们会从高电阻水平变为高导电水平。该高导电水平具有比高电阻水平低的电阻。通常，高电阻(或低导电)水平对应于阻断状态，防止对存储元件31的存取，而高导电(或低电阻)水平对应于“导通”或导电状态，允许对存储元件31的存取。
[0066]“导通”状态被称为易失性的(或临时的，或非永久性的)，因为只要流过选择器元件33的电流一直高于保持电流(记为ih)，就可以维持“导通”状态.当流过选择器元件33的电流变得低于保持电流ih时，选择器元件33则回到阻断状态。
[0067]
利用非晶硫属化物材料的这种特性来制造存储器1的选择器元件33是有用的。“导通”状态使得有可能有电流流动，以便在存储元件31中进行读取或编程。具有高电阻的阻断状态防止对存储器元件31的存取并限制存储器1的未选择或未寻址到的存储点3中的漏电流ileak。
[0068]
图2示意性地示出了存储点阵列5的一个实施例。
[0069]
根据图2的实施例，阵列5是二维存储点阵列。图2对应于存储器1的一层存储点3的俯视图，例如(图1)这些存储点位于一方面的第一导体50、52和54和另一方面的第二导体51、53和55之间。除了它们连接到的导体对之外，阵列5的所有存储点3都是相同的。
[0070]
阵列5的每个存储点3具有与关于图1所示的存储点3相似的结构。因此，每个存储点3串联地包括：
[0071]
选择器元件33，在图2中由第一矩形表示；
[0072]
导电金属层35，在图2中由导线表示；以及
[0073]
电阻式存储元件31，在图2中由第二矩形表示。
[0074]
在图2的示例中考虑了特定的存储点，但是所描述的一切都适用于阵列的所有存储点。在图2中，选择器元件33一方面连接到导体52(点523)，另一方面连接到金属层35。电阻式存储元件31一方面连接到导体53(点533)，另一方面连接到金属层35。
[0075]
假设希望在阵列5的存储点3中进行读取或写入，在连接在存储点3的任一侧的两个导体52和53之间施加电压，记为v。该电压v例如通过将导体52置于值为-v/2的电势并将导体53置于值为v/2的更高的电势而获得。所有其他导体50、51、54和55保持大约零伏(0v)的电势。因此，在点533和523之间施加了电势差，其中存储点3分别接触导体53和52，其大约等于电压v。
[0076]
当该电压v达到大于或等于选择器元件33的阈值电压vth的值时，该选择器元件33然后变为导通并且标记为i的电流在施加于存储点3的电压的影响下在存储点3和导体52和53的一部分中流动(虚线箭头)。然后存储点3的存储元件31被视为由选择器元件33选择。电流i的值基于所需的读取或写入操作而被调整。
[0077]
建议确保选择器元件33在阻断状态下具有尽可能低的漏电流ileak。该ileak漏电流对阵列5的操作性能有害。
[0078]
还希望选择器元件33是非线性的，即在导电状态和阻断状态之间具有最大可能的导电差异。这可以防止所选存储点的相邻存储点(例如，图2中详述的存储点左侧和右侧的存储点)被漏电流ileak无意中激活。
[0079]
图3示出了存储点的一个实施例的电流/电压特性。
[0080]
在图3中，x轴对应于施加在存储元件或存储点的端子处的电压。施加在存储元件31的端子之间的电压v单独与图2的图形的曲线20和22相关，而施加在存储点3的端子533和523之间的电压v与图2的图形的曲线24和26相关。采用对数标度的y轴对应于取决于所考虑的曲线而流过电阻式存储元件31或存储点3的电流。
[0081]
假设存储点3的电阻式存储元件31存储二进制值。通常，该二进制值的高位状态被指定为“on”，而该相同二进制值的低位状态被指定为“off”。在该示例中，on状态被认为对应于低电阻状态(lrs)，off状态被认为对应于高电阻状态(hrs)。低电阻状态on的电阻低于高电阻状态off的电阻。
[0082]
图3的左侧(曲线20和22)单独示出了电阻式存储元件31的行为。图3的右侧(曲线24和26)示出了存储点3(串联的选择器元件33、导电金属层35和电阻式存储元件31)在高位状态on下的行为(曲线26)，以及存储点3在低位状态off下的行为(曲线24)。
[0083]
通过使电流i以大于转换阈值(记为ihrs)的强度流过存储点3，电阻式存储元件31从off状态转换到on状态。在图3中，曲线20(mem off)显示为实线，曲线22(mem on)显示为虚线。为了避免在选择存储点3的电阻式存储元件31时出现任何不及时的状态转换，确保转换阈值ihrs大于或等于选择器元件33的阈值电流ith。
[0084]
对于存储点3中的读取操作，在其端子533和523(图2)之间施加记为vread的电压。在图3中，该电压vread位于选择器元件33的阈值电压vth1(采取虚线形式的曲线26，sel memon)和另一电压vth2(采取实线形式的曲线24，sel mem off)之间的电压范围δvth内。
[0085]
然后测量在存储点3中流动的电流的值。如果电阻式存储元件31处于低位状态off(曲线24)，则通过施加电压vread来测量值为ioff的电流。另一方面，如果电阻式存储元件31处于高位状态on(曲线26)，则通过施加电压vread来测量值为ion(大于值ioff)的电流。当位于电压δvth范围内的电压vread被施加到存储点3的端子时，流过存储点3的电流的测量因此提供由电阻式存储元件31存储或记录的二进制值。
[0086]
电阻式存储元件31最初处于on状态。通过向存储点3施加标记为vreset的复位电压(图3中未示出)，电阻式存储元件31从on状态转换到off状态。然后，通过在存储点3处施加低于复位电压vreset的编程电压vset，电阻式存储元件31从该off状态转换到on。为了使存储点3的操作成为可能，确保编程电压vset小于或等于选择器元件33的阈值电压vth。
[0087]
图4示出了选择器元件的一个实施例的特征量的变化曲线。
[0088]
在图4中，x轴对应于施加到选择器元件33(曲线4)或存储元件(点41、43)的端子上
的电压，单位为伏特。采用对数标度的纵轴对应于流过选择器元件33(曲线4)或存储元件(点41、43)的电流(以安培为单位)。
[0089]
存储点3的选择器元件33由基于锗(ge)、硒(se)、砷(as)和碲(te)的合金构成。再次，根据该实施例，选择器元件33是双向阈值开关。富含硒的锗硒合金或gs化合物具有良好的热稳定性。这样可以促进实现诸如存储器1(图1)之类的存储器的存储点3的制造步骤，其中gs材料对低于约400℃的温度不是非常敏感。
[0090]
然而，在选择器元件33中使用的gs合金的特征在于开关特性较差，特别是由于阈值电压vth过高。当在基于gs合金的选择器元件33上应用其高电阻水平(阻断状态)和其高导电水平(导电状态)之间的连续转换循环时，它们也表现出较差的开关耐久性。
[0091]
根据所描述的实施例，利用添加被称为掺杂物的材料能够改善由gs合金制成的选择器元件的开关特性的事实。特别地，将基于砷碲的材料或at化合物添加到选择器元件33的gs合金可以降低选择器元件33的阈值电压vth，同时提高其开关耐久性。通过调整制成选择器元件33的gs合金中的at含量(或at比例)，可以获得合金热稳定性和选择器元件33的开关特性之间的平衡。
[0092]
根据一个优选实施例，选择器元件33由gs/at伪二元系统，更优选地由ge3se7as2te3形成的合金制成。例如，选择器元件33通过物理气相沉积(pvd)制造。ge3se7as2te3合金因此包括：
[0093]
第一ge3se7化合物，其在此对应于gs合金，或由锗硒构成；以及
[0094]
第二化as2te3合物，其在此对应于at合金，或由砷碲构成。
[0095]
在图4中，曲线4针对制成选择器元件33的gs/at合金中不同的at合金(as2te3)含量示出选择器元件33的端子处的漏电流ileak(以安培为单位，采用对数标度)基于其阈值电压vth(以伏特为单位)的变化。选择器元件33的漏电流ileak通常在等于阈值电压vth的一半的电压下测量。在该示例中，at合金含量以原子百分比测量。该合金优选地具有介于约20％至约80％之间，优选地介于20％至80％之间的砷碲化合物含量。
[0096]
曲线4具有六个点，每个点对应于gs-at合金中不同的at合金含量：
[0097]
第一点400对应于零at含量，即仅由gs合金(ge3se7)构成的gs合金；
[0098]
第二点420对应于等于20％的at含量，即由80％的gs合金和20％的at合金(as2te3)构成的gs-at合金；
[0099]
第三点440对应于等于40％的at含量，即由60％的gs合金和40％的at合金构成的gs-at合金；
[0100]
第四点450对应于50％的at含量，即由50％的gs合金和50％的at合金构成的gs-at合金(gs合金和at合金的化学计量混合物)；
[0101]
第五点460对应于60％的at含量，即由40％的gs合金和60％的at合金构成的gs-at合金；以及
[0102]
第六点480对应于80％的at含量，即由20％的gs合金和80％的at合金构成的gs-at合金。
[0103]
寻求调整选择器元件33的阈值电压vth、阈值电流ith和/或漏电流ileak，特别是将该选择器元件33与电阻式存储元件31进行关联以使得它们兼容是有意义的。在该示例中，假设电阻式存储元件31的编程电压vset大约等于1.5v(点41，vset x ihrs)。再次，在该
示例中，假设电阻式存储元件31的复位电压vreset大约等于2v(点43，vreset x ilrs)。
[0104]
如结合前面的图所讨论的，然后寻求获得具有大于或等于电阻式存储元件31的编程电压vset的阈值电压vth的选择器元件33。这样可以确保选择器元件33与电阻式存储元件31兼容。
[0105]
此外，还可以寻求使选择器元件33的阈值电流ith小于或等于电阻式存储元件31的转换阈值电流ihrs。选择器元件33的阈值电流ith越接近电阻式存储元件31的转换阈值电流ihrs，编程窗口越大。因此，理想的情况是ith等于ihrs。
[0106]
此外，还可以寻求确保漏电流ileak尽可能低。ileak漏电流越低，所设想的存储阵列的尺寸就可以越大。
[0107]
因此，根据图4所示的电阻式存储元件31的示例特性(41、43)，这相当于选择具有等于约40％，优选地等于40％(图4中的点440)的砷碲化合物(as2te3)含量的gs-at合金。这导致选择器元件33具有以下特征：
[0108]
约1na的漏电流ileak，其足够低以保证非线性，从而可以限制1mb的阵列5(换言之，由包含一百万个存储点3的阵列5构成的存储器1)中的漏电流；
[0109]
约2.4v的阈值电压vth；以及
[0110]
约5μa的阈值电流ith。
[0111]
因此，对于任何存储器类型(oxram、cbram或pcm)，由gs-at合金制成的选择器的成分gs或at化合物中的任一者的比例使其具有采取以下优先顺序的特征，这些特征可以单独或组合地使用：
[0112]
vth(选择器)≥vset(存储元件31)；
[0113]
ith(选择器)≤ihrs(存储元件31)；和/或
[0114]
ileak(选择器)是最小可能的漏电流，其中考虑了上面引用的两个优先级不等式。
[0115]
如果希望制造用于具有已知特性(vset、ihrs)的存储元件31的选择器元件33，可以借助图4中的曲线4来调整gs-at合金成分。这使得有可能基于电阻式存储元件31调整阈值电压vth和漏电流ileak。
[0116]
因此根据包括例如以下步骤的方法制造存储器1(图1)：
[0117]
制造电阻式存储元件31；以及
[0118]
与电阻式存储元件31相关地制造基于锗、硒、砷和碲的gs-at合金构成的至少一个选择器33。然后基于电阻式存储元件31的电特性优化该gs-at合金成分。
[0119]
图5示出了选择器元件33的一个实施例的特征量的另一变化曲线。
[0120]
在图5中，x轴对应于以安培为单位的漏电流ileak，而y轴对应于以安培为单位的阈值电流ith。
[0121]
如结合图4所讨论的，假设选择器元件33是由gs-at合金，优选地由ge3se7as2te3构成的双向阈值开关。这里的重点是基于砷碲构成的含量(即，选择器元件33中的at合金)的漏电流ileak和阈值电流ith的变化。
[0122]
在图5所示的示例中，at合金含量是变化的，以达到与电阻式存储元件31兼容的工作区域。从零at合金含量(三角形62)开始，at合金含量的增加(箭头63)导致漏电流ileak和阈值电流ith值同时增加，以增加at合金含量(五边形64至67，分别对应于20％、40％、50％和60％的at合金含量)。
[0123]
为了制造与电阻式存储元件31相关地制造提供最大可能编程窗口的选择器元件33，选择具有at含量的gs-at合金，其使得能够获得尽可能接近存储元件31的转换阈值电流ihrs的阈值电流值ith，同时根据期望的阵列大小限制漏电流ileak。具体地，该图5示出了选择器33的阈值电流ith和漏电流ileak可以基于存在于gs-at合金中的at或gs化合物的量而变化。
[0124]
图6通过视图a和b示出了选择器元件33的一个实施例的特征量的其他变化曲线。
[0125]
如结合图4和5所讨论的，假设选择器元件33是由gs-at合金，优选地由ge3se7as2te3构成的双向阈值开关。
[0126]
在视图a中，示出了选择器元件33的阈值电压vth(采用伏特数的y轴)基于其gs-at混合物中的at合金含量或比例(采用原子百分比的x轴)的变化。可以看出，阈值电压vth随着at合金含量(在该示例中为as2te3)的增加而降低。将as2te3含量或浓度记为cat，并且将选择器元件33的厚度记为tots，利用了这样一个事实：即选择器元件33的阈值电压vth的值与gs-at合金中(特别是ge3se7as2te3中)的砷碲化合物的原子百分比通过以下类型的关系相关联：
[0127]
[数学公式1]
[0128]
vth=(-1.5
×
10-3
×
cat 0.13)
×
tots (-4
×
10-4
×
cat 0.7)
[0129]
在视图b中，示出了选择器元件33的漏电流ileak(采用安培数的y轴)基于gs-at合金(即ge3se7as2te3)中的at合金含量(采用原子百分比的x轴)的变化。可以看出，随着at合金含量(在该示例中为as2te3)的增加，ileak漏电流也增加。仍将as2te3含量或浓度记为cat，并且将选择器元件33的厚度记为tots，以及将指数函数记为exp，利用这样一个事实，即漏电流ileak的值与gs-at合金中(特别是ge3se7as2te3中)的砷碲化合物的原子百分比通过以下类型的关系相关联：
[0130]
[数学公式2]
[0131]
ileak＝exp(0.09
×
cat)
×
exp((75.8/tots)-27)
[0132]
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，这些实施例的某些特征可以组合并且本领域技术人员将容易想到其他变型。特别地，选择元件33的gs-at合金中由砷碲构成的含量cat可以根据电阻式存储元件31的其他特征特性进行调整。
[0133]
最后，基于以上提供的功能描述，在此描述的实施例和变型的实际实现在本领域技术人员的能力范围内。