[发明专利]包含多层存储单元的非易失性存储器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非易失性存储器及其制造方法，具体而言，涉及一种无需增加附加性的水平面积也能使包含反熔丝和二极管或包含可变电阻和二极管的存储单元相互连接而实现高度集成及高速运行的、因具有更能有效利用竖直空间的多层层叠结构而可以大幅提高集成度的非易失性存储器及其制造方法。

背景技术

作为现有技术的韩国授权专利第0904771号涉及一种三维集成电路结构及制作方法，所述三维集成电路结构的特征在于包括：具有多个器件的单晶半导体层；连接在所述单晶半导体层上下的单个或多个绝缘层；布置于所述绝缘层内的配线与连接线，且所述配线与连接线直接或间接地连接所述多个器件。

又有现有技术即韩国公开专利第1997-0067848号涉及一种半导体存储器元件及其制造方法，该半导体存储器元件由存取字线信息的存取晶体管(access transistor)(T)和随着存取晶体管(T)的运行而将通过位线存储的信息进行存储的存储节点电容器(C)以及向存储节点电容器供应电荷的充电晶体管(charge up transistor)构成，从而可以向存储节点电容器供应持续的电荷，以此可以提高半导体存储器元件的处理速度。

通常，非易失性半导体存储器为一种即使没有电源供应也能继续保持存储单元中所存信息的半导体存储器。

本发明所涉及的非易失性存储器包括如下的存储单元，即该存储单元包括第一电极和第二电极之间的中间层为绝缘膜或可变电阻的结构而构成。

当构成所述存储单元的中间层为绝缘膜时，若通过向绝缘膜两侧的两个电极(即，第一电极和第二电极)施加用于编程的高电压以诱发击穿，则出现阻抗路径使绝缘膜由绝缘状态变为导通状态。所述绝缘膜变成为反熔丝器件。

所述绝缘膜若为导通状态，则为编程状态，可定义为存储有数据“0”；若为绝缘状态，则为未编程状态，可定义为存储为数据“1”。与此相反，也可以定义为导通状态下存储数据“0”而绝缘状态下存储数据“1”。

当构成所述存储单元的中间层为可变电阻时，可变电阻可以是阻变材料或相变材料。

当构成所述存储单元的可变电阻为阻变材料时，若对可变电阻两侧的两个电极(即，第一电极和第二电极)施加设置电压(set voltage)以上的电压，则所述可变电阻处于低阻态；若施加复位电压(reset voltage)以上的电压则所述可变电阻处于高阻态。因此可以定义为，当所述可变电阻处于低阻态时，存储有数据“1”，当电阻处于高阻态时，存储为“0”。与此相反，也可以定义为低阻态时存储数据“0”而高阻态时存储数据“1”。

阻变材料正在利用钙钛矿(perowvskite)或过渡金属氧化物、硫系化合物等多种材料进行着开发。

利用阻变材料的存储器可根据材料分为几种种类。第一是将庞磁电阻材料(Colossal Magnetoresistance-CMR)、Pr_1-xCa_xMnO₃(PCMO)等材料插入到电极之间，以利用通过电场发生的电阻变化的情形。第二是将Nb₂O₅、TiO₂、NiO、Al₂O₃等二元(binary system)氧化物制造成具有非化学计量组成，以用为阻变材料。第三是硫系化合物(Chalcogenide)材料，其不像相变存储器(PRAM，phase change RAM)般通过高电流引起相变，而是维持非晶结构的同时利用双向开关(Ovonic switch)的阀值电压变化所引起的电阻差异。第四是在SrTiO₃、SrZrO₃等铁电物质中掺入铬(Cr)或铌(Nb)等以改变电阻状态的方法。最后还有可编程金属化单元(Programmable Metallization Cell-PMC)，其在GeSe等固体电解质中掺入离子迁移率大的银(Ag)等，以根据通过电化学反应引起的介质内导电性通道的形成与否来产生两种电阻状态。此外，还提出有通过体现稳定的两种电阻状态而具有存储特性的材料或工艺。

当构成所述存储单元的可变电阻为相变材料时，可定义为若相变材料处于低阻态则存储有数据“1”，若处于高阻态则存储为数据“0”。与此相反，也可以定义为低阻态时存储数据“0”而高阻态时存储数据“1”。

所述相变材料是一种相态(phase)因一定电流而转变为结晶态或非晶态的材料，其在结晶态时对应低阻态，而在非晶态时对应高阻态。