具有热辅助开关控制的非易失性存储器元件

摘要

公开了具有热辅助开关控制的非易失性存储器元件。非易失性存储器元件布置在热喷墨电阻器上。还公开了用于制造组合的方法以及使用组合的方法。

权利要求

1.一种具有热辅助开关控制的非易失性存储器元件，包括：热元件，用于加热电阻式存储器元件；以及

所述电阻式存储器元件，布置在所述热元件上；

其中，所述热元件将所述电阻式存储器元件加热到不同的温度状况，以执行不同的任务。

2.如权利要求1所述的非易失性存储器元件，其中，所述电阻式存储器元件是记忆电阻器。

3.如权利要求1所述的非易失性存储器元件，其中，所述热元件是热喷墨电阻器，所述非易失性存储器元件进一步包括所述热喷墨电阻器、在所述热喷墨电阻器上的钝化层、以及在所述钝化层上的所述电阻式存储器元件。

4.如权利要求3所述的非易失性存储器元件，其中，所述热喷墨电阻器包括布置在相对高电阻率的导电材料上的相对低电阻率的导电材料。

5.如权利要求4所述的非易失性存储器元件，其中，所述热喷墨电阻器是从由如下各项构成的组中选出的：AlCu在TaAl上、AlCu在WSiN上、AlCu在TaAlOx上、AlCu在TiN上、TaAl在TiN/AlCu上、WSiN在TiN/AlCu上、TaAlOx在TiN/AlCu上、以及TiN在TiN/AlCu上。

6.如权利要求3所述的非易失性存储器元件，其中，所述钝化层是从由氮化硅、碳化硅以及二氧化硅构成的组中选出的。

7.如权利要求3所述的非易失性存储器元件，其中，所述电阻式存储器元件是记忆电阻器，所述记忆电阻器具有包括底电极、有源区以及上电极的结构。

8.一种制造多级编程非易失性存储器元件的方法，包括将非易失性存储器元件布置在热元件上，其中：所述非易失性存储器元件具有多个状态，每个状态与温度和电偏压相关联；

所述热元件将所述非易失性存储器元件的电阻式存储器元件加热到多个温度，以将所述电阻式存储器元件置于不同的状态。

9.如权利要求8所述的方法，包括：

提供热喷墨电阻器作为所述热元件；

将钝化层形成在所述热喷墨电阻器上；以及

将所述非易失性存储器元件形成在所述钝化层上。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述热喷墨电阻器包括布置在相对高电阻率的导电材料上的相对低电阻率的导电材料。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述热喷墨电阻器是从由下列各项构成的组中选出的：AlCu在TaAl上、AlCu在WSiN上、AlCu在TaAlOx上、AlCu在TiN上、TaAl在TiN/AlCu上、WSiN在TiN/AlCu上、TaAlOx在TiN/AlCu上、以及TiN在TiN/AlCu上。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述钝化层是从由氮化硅、碳化硅以及二氧化硅构成的组中选出的。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述非易失性存储器元件是记忆电阻器，所述记忆电阻器具有包括底电极、有源区以及上电极的结构。

14.一种对将在热元件上的非易失性存储器元件包括的多级编程非易失性存储器元件进行操作的方法，所述方法包括：提供将在所述热元件上的所述非易失性存储器元件包括的所述多级编程非易失性存储器元件；

将不同的温度和电偏压与不同的逻辑状态相关联；

向所述热元件供给能量以将所述非易失性存储器元件加热到预选温度；以及将信息存储在所述非易失性存储器元件中。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述非易失性存储器元件具有多个状态，每个状态与温度和电偏压的组合相关联。

说明书

具有热辅助开关控制的非易失性存储器元件

背景技术

[0001] 非易失性存储器是甚至当未加电时也能取回存储的信息的计算机存储器。非易失性存储器的类型可包括电阻RAM(随机存取存储器)(RRAM或ReRAM)、相变RAM(PCRAM)、导电桥RAM(CBRAM)、铁电RAM(F-RAM)，等等。

[0002] 电阻式存储器元件能够通过施加编程能量而被编程到不同的电阻状态。在编程之后，电阻式存储器元件的状态能够被读取且在规定时间段内保持稳定。电阻式存储器元件的大的阵列能够用于创建各种电阻式存储器设备，包括非易失性固态存储器、可编程逻辑、信号处理、控制系统、模式识别设备以及其它应用。电阻式存储器设备的示例包括价态变化存储器和电化学金属存储器，两者均涉及到在电开关过程中的离子运动并且属于记忆电阻器的类别。

[0003] 记忆电阻器是能够通过施加编程能量，例如电压或电流脉冲，而被编程到不同的电阻状态的设备。该能量产生了电场和热效应的组合，其能够调制记忆电阻元件中非易失性开关和非线性选择函数二者的传导性。在编程后，记忆电阻器的状态能够被读取且在规定时间段内保持稳定。

附图说明

[0004] 图1A和1B是在本文的教导的实践中采用的两种不同的热喷墨结构的示例的剖视图。

[0005] 图2是根据示例的在热元件(此处为热喷墨结构)上形成的多个记忆电阻器的剖视图。

[0006] 图2A是根据示例的在图2的热喷墨结构上形成的多个记忆电阻器的等距视图。

[0007] 图2B是根据示例的采用在图2的热喷墨结构上形成的多个记忆电阻器的横杆的等距视图。

[0008] 图3A和3B各自具有表示电阻的纵轴，描绘了根据示例的具有1位/单元(图3A)的记忆电阻器单元和具有2位/单元(图3B)的记忆电阻器单元的电阻水平。

[0009] 图4在电流(安培)和电压(伏特)的坐标上描绘了根据示例的针对具有2位/单元的记忆电阻器的一系列I-V曲线。

具体实施方式

[0010] 在下面的说明书中，阐述了大量细节以提供本文公开的示例的理解。然而，将理解的是，可以在没有这些细节的情况下实现示例。虽然已经公开了有限数量的示例，但应当理解的是，可从中得出若干修改例和变型例。图中相似或相同的元件可利用相同的附图标记来指代。

[0011] 如在本文的说明书和权利要求书中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另外明确规定。

[0012] 如本说明书和随附权利要求书中使用的，“近似”和“大约”意指由于例如制造过程中的变化引起的±10％的偏差。

[0013] 在下面的具体实施方式中，参考了本公开的附图，附图示出了可实践本公开的具体的示例。示例的组件可定位在多个不同的方位，并且关于组件的方位所使用的任何方向术语用于示例说明的目的，而绝不是限制。方向术语包括诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“最先(leading)”、“最末(trailing)”等词语。

[0014] 应当理解的是，存在可以实践本公开的其它示例，并且可以在不偏离本公开的范围的情况下做出结构或逻辑上的改变。因此，下面的具体实施方式不应在限制的意义上考量。相反，本公开的范围由随附的权利要求书来限定。

[0015] 非易失性存储器元件能够用于各种应用，诸如只读存储器，可编程存储器以及需要长期持久存储的其它用途。

[0016] 电阻器存储器元件能够用于各种应用，包括非易失性固态存储器、可编程逻辑、信号处理、控制系统、模式识别以及其它应用。

[0017] 如本说明书和随附权利要求书中所使用的，术语“电阻器存储器元件”广义地指可编程非易失性电阻器，其中开关机构涉及到原子运动和重新排列，包括价态变化存储器、电化学金属存储器以及其它。

[0018] 记忆电阻器或者记忆电阻设备是纳米级设备，它们可用作各种各样电子电路中的组件，诸如存储器、开关以及逻辑电路和系统。在存储器结构中，可使用记忆电阻器的横杆。例如，当用作存储器基础时，记忆电阻器可用于存储信息位1或0，对应于记忆电阻器是处于高阻态还是低阻态(或者反之亦然)。当用作逻辑电路时，记忆电阻器可用作类似现场可编程门阵列的逻辑电路中的配置位和开关，或者可以是有线逻辑可编程逻辑阵列的基础。还可能的是，使用能够实现用于这些以及其它应用的多态或模拟行为的记忆电阻器。

[0019] 当用作开关时，记忆电阻器可以在交叉点存储器中处于低电阻(关闭)或高电阻(打开)状态。在过去几年中，研究者已经在寻找使得这些记忆电阻器的开关功能高效表现的方式方面做出了巨大的进步。例如，基于氧化钽(TaOx)的记忆电阻器已经被证实相对于其它能够电子开关的纳米级设备具有优良的耐久性。在实验室设置中，基于氧化钽的记忆电阻器能够经过100亿开关周期。

[0020] 记忆电阻器可以包括夹在两个电极之间的开关材料，诸如TiOx或者TaOx。记忆电阻行为是通过离子种类(例如，氧离子或空位)在开关材料内移动而经由两个电极之间的导电细丝的调制产生导电率的区域性变化来实现的，这得到了低电阻“导通(ON)”状态、高电阻“关断(OFF)”状态或者中间状态。初始地，当记忆电阻器被首次制作时，整个开关材料可以是非导电的。因此，可能需要成形过程来在两个电极之间的开关材料中形成导电通道。已知的成形过程，通常称为“电成形”，包括在充足长度的时间内在电极两端施加足够高(阈值)电压，而使得开关材料中区域化导电通道(或有源区)的成核和成形。成形过程所需的阈值电压和时间长度可取决于用于开关材料、第一电极以及第二电极的材料的类型、以及设备几何结构。

[0021] 在记忆电阻设备中可采用金属或半导体氧化物；示例包括过渡金属氧化物，诸如氧化钽、氧化钛、氧化钇、氧化铪、氧化铌、氧化锆、或其它类似的氧化物，或者非过渡金属氧化物，诸如氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化镝、氧化镧、二氧化硅或其它类似的氧化物。进一步的示例包括过渡金属氮化物，诸如氮化铝、氮化镓、氮化钽、和氮化硅。

[0022] 记忆电阻设备可包括电极之间的连续氧化物膜。细丝/离子扩散以随机样式形成在电极之间的氧化物膜中，非常类似闪电，其可以取最小电阻的路径。该随机路径引起了记忆电阻器I-V特性的从开关周期到开关周期的变化以及尤其是从设备到设备的变化。或者是单极或者是双极的较旧的记忆电阻或非易失性电阻式存储器设备趋于具有电极间的该随机导电路径；也即，空位必须找到它们自己的通往相对电极的路径。导电通道形成的这种随机性会引起可复制性和/或可靠性问题的变化，这是这些设备的商业化的最大挑战之一。

[0023] 热喷墨(TIJ)技术采用了电阻器来煮沸墨而产生喷射墨滴的蒸汽“驱动”气泡，涉及到快速成核和气泡生长。兼容于标准的CMOS，TIJ电阻器经常可以采用高薄片电阻率以及低薄片电阻率双金属层沉积，随后是蚀刻工艺。图1A-1B描绘了TIJ结构的两个示例。

[0024] 图1A所示的TIJ结构100可使用高电阻合金，诸如TaAl、WSiN、TaAlOx、TiN或者其它适合的合金作为下层102，低电阻合金诸如AlCu在上面的上层104。在该结构中，可首先沉积具有30至120ohm/sq的相对高的薄片电阻率的下层102。接着，可以沉积具有约0.04至0.08ohm/sq的相对低的薄片电阻率的上层104。在沉积后，干法蚀刻(以限定电阻器宽度)以及湿法或干法蚀刻(斜面金属蚀刻(SME)/干法电阻器蚀刻(DRE)工艺来限定电阻器长度)可应用以限定电阻器100。TIJ电阻器100的一个方面在于，电阻温度系数(TCR)非常低，并且电阻器非常稳定，对于数以十万计或数以百万计的墨滴点火(ink droplet firing)具有高的耐受性。

[0025] 图1B所示的TIJ结构150可使用多层TiN/AlCu的下层152，以及在上面的TaAl、WSiN、TaAlOx、TiN或其它适合的合金的高电阻层154。再有，下层152具有相对高的薄片电阻率(约0.04至0.08ohm/sq)并且上层154具有相对低的薄片电阻率(约425ohms/sq)。而且，干法蚀刻，随后是湿法或干法蚀刻，可用于限定电阻器150。如同图1A所描绘的电阻器，TIJ电阻器150的一个方面在于，TCR非常低，并且电阻器非常稳定，具有高的耐受性。

[0026] 下面的表1示出了分别在图1A和图1B中描绘的电阻器100和150的TIJ打印头中目前使用的TIJ电阻器体系结构的主流。

[0027] 表1. TIJ电阻器结构的性质

[0028]性质 TaAl WSiN
厚度 ～95nm 95nm
薄片电阻率ρ 30ohms/sq 425ohms/sq
需要退火 否 是

[0029] 要将来自TIJ的墨滴“点火(fire)”，来自打印机的电脉冲可施加到电阻器上。该脉冲典型地是5伏特至35伏特的方波脉冲。持续时间从1μs至3μs变化，取决于产品。在该时间内，电阻器、底层以及电阻器与墨之间的钝化层(在TIJ电阻器之上)快速地变热。液体接触钝化层的温度从25℃跳跃到最少310℃。因此，极陡的加热速率(每秒约1亿℃)产生了超热而生成了将墨滴推出的气泡。

[0030] 根据本文的教导，诸如TIJ电阻器的热元件可用作非易失性存储器元件阵列下方的加热器，如图2所示。通过该方式，非易失性存储器元件可被加热到某温度，该温度可通过TIJ电阻器电阻、施加的电压和脉冲来调节。非易失性存储器元件和TIJ电阻器的组合可在电阻式存储器元件如记忆电阻器以及相变存储器元件中得以应用。

[0031] 非易失性存储器元件的受控加热可用于实现多种不同的任务，每个取决于不同的温度状况。

[0032] 第一任务涉及到利用热来控制多单元应用的电阻水平。考虑温度状况被标识为T1。多单元应用在下文进一步详述。

[0033] 第二任务涉及到利用热来修复“死的”非易失性存储器元件。在记忆电阻器的情况下，例如，死的记忆电阻器处于低电阻状态并且因此表现为导体。加热元件阵列会溶解传导通道并且可以修复具有许多故障设备的记忆电阻器阵列。考虑温度状况被标识为T2。

[0034] 第三任务涉及到利用热来加热非易失性存储器元件阵列，诸如记忆电阻器，达到提高的温度且施加电偏压到处于低电阻状态的记忆电阻器，从而将记忆电阻器复位。考虑温度状况标识为T3。

[0035] 第四任务涉及到最小化由于电成形(或成形)工艺所导致的故障。电成形工艺会由于所施加的相对高的电压而导致故障。加热阵列以及施加成形电压会使得故障减少，因为成形工艺需要低电压。考虑温度状况标识为T4。

[0036] T2可以是相对高的热，并且是四种状况中最高的。其它温度状况关于T2来考虑。

[0037] T1可以在约环境温度到T2以下的范围内。

[0038] T3可以在环境温度以上到T2以下的范围内。

[0039] T4可以在环境温度以上到T2以下的范围内。

[0040] 前面的温度状况取决于各种因素，包括非易失性存储器元件或记忆电阻器的材料。特定温度状况的确定以实现特定的任务，对于本领域技术人员而言，不被视为是不当的实验。

[0041] 图2所描绘的设备200可包括热元件，例如，热喷墨电阻器202，诸如图1A和1B中所描绘的任一个TIJ电阻器。可以替选地采用其它热元件。热喷墨电阻器可布置在基板(未示出)上。设备200可以进一步包括一个或多个电阻式存储器元件204，诸如记忆电阻器。记忆电阻器204或者如图2所示的记忆电阻器204的阵列204’可以通过钝化层206与TIJ电阻器202分离。适合用作钝化层的材料的示例包括但不限于氮化硅、碳化硅、二氧化硅等等。

[0042] 记忆电阻器204可具有包含底电极204a、上电极204b以及夹在它们之间的有源区204c的结构。用于电极204a，204b的材料的示例包括但不限于铝(Al)、铜(Cu)、铂(Pt)、钨(W)、金(Au)、钛(Ti)、银(Ag)、二氧化钌(RuO2)、氮化钛(TiN)、氮化钨(WN2)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)等等。电极材料可以对于两个电极204a，204b而言相同或不同。电极204a，204b可以根据需要被图案化。电极204a，204b的厚度可以在约10nm至几微米的范围内。

[0043] 底电极204a可以通过多种工艺中的任一种在钝化层206上形成，包括电镀、溅射、蒸发、ALD(原子层沉积)、共沉积、化学蒸汽沉积、IBAD(离子束辅助沉积)、预沉积材料氧化或任何其它膜沉积技术。

[0044] 图2A和2B描绘了诸如记忆电阻器的非易失性存储器元件的两个示例。在图2A中，元件204是单个的，而在图2B中，示出横杆204”的部分，底电极形成“行”，而上电极形成“列”，行布置成关于列成非零角。可以意识到的是，可以存在多个TIJ电阻器，每个被连接到相同的电压/脉冲条件或者不同，取决于应用。

[0045] 记忆电阻器能够用作非易失性存储器(NVM)并且其具有多级编程(MLP)的能力。因此，可采用基于喷墨打印技术的记忆电阻器MPL方法。将第三热控制门引入2端子记忆电阻器中是可能的。该体系结构同样可用于相变存储器(PCM)或其它电阻RAM(RRAM)设备。

[0046] 本文公开的多级编程(MLP)技术可以通过图3A-3B中所示的一个单元中存储的多个状态来降低每位成本。

[0047] 记忆电阻器通常存储1位/单元，具有逻辑“0”和逻辑“1”，如图3A所描绘的。虽然逻辑“0”显示处于较低电阻，逻辑“1”显示处于较高电阻，但是定义可反向，逻辑“0”定义在较高电阻，逻辑“1”定义在较低电阻。

[0048] 利用MLP，可以存储2位/单元，逻辑“00”在最低电阻，逻辑“01”定义在较高电阻，逻辑“10”定义在更高电阻，逻辑“11”定义在最高电阻。当然，如同1位/单元，定义可反向，使得逻辑“11”处于最低电阻，而逻辑“00”处于最高电阻，等等。

[0049] 通过内置TIJ加热器提供的电偏压和提高的温度的组合能够更佳地将设备切换到目标电阻值，这对于多级单元应用是关键的。例如，导通状态1可以在室温完成，导通状态2可以在150℃下完成，导通状态3可以在300℃下完成，等等。

[0050] 图4是示出在290K的温度下实现且在室温下测量的各种电阻状态的I-V绘图400。曲线402代表了原状态，其中尚未施加成形或开关电压。曲线404和406代表了两个中间状态。曲线408代表了导通状态。

[0051] 图5是流程图，描绘了根据示例操作多级编程非易失性存储器元件200的方法。该方法500可包括提供505多级编程非易失性存储器元件200，其包括至少一个非易失性存储器元件，诸如在热元件202上的记忆电阻器204。该方法500可进一步包括：将不同的温度和电偏压与不同的逻辑状态相关联510。该方法500可进一步包括：对热元件供给能量515以将电阻式存储器元件加热到预选温度。该方法500可进一步包括：将信息存储520到电阻式存储器元件中。

[0052] 在其最普通的形式中，非易失性存储器元件200可具有多个状态，每个状态与温度和电偏压的组合相关联。

[0053] 通过增加高电阻层和SME/DRE掩模，加热电阻器能够容易地并入任何标准的CMOS工艺中。用于记忆电阻器设备的局部热管理的附加手柄将充当晶体管(背门)的第三端子。通过引入加热元件作为热控制门，可获得以下优点：

[0054] 与简单地施加不同的电压相比，有可能通过利用热的更佳控制来实现记忆电阻器的MLP。进一步，电阻状态的分布更紧凑，状态到状态的电阻间隙可以更宽，利于更佳的状态区分。这可以产生更低的位错率，以及更容易的读出存储的信息的感应方案。

[0055] 除了实现多级存储的可能性之外，局部温度控制可允许记忆电阻器在可靠且最优的条件下来工作。

[0056] 可通过施加到电阻器的电压或者脉冲来控制温度，这使得电路的设计灵活。