專利名稱：半導體存儲器設(shè)備以及控制該設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體存儲器設(shè)備和控制該半導體存儲器設(shè)備的方法。
背景技術(shù)：
近年來，已開發(fā)了以下設(shè)備作為下一代半導體存儲器設(shè)備；鐵電 隨機訪問存儲器(FeRAM)、磁性隨機訪問存儲器(MRAM)、相變隨機 訪問存儲器(PRAM)、電阻隨機訪問存儲器(RRAM)、弗辛斯基電效 應統(tǒng)一存儲器(OUM)等等。RRAM和OUM是利用二極管特性的半導體 存儲器設(shè)備。作為被用于RRAM或OUM中的二極管類型，使用了在諸 如硅質(zhì)基底的半導體基底上形成的pn二極管(參照日本專利翻譯公開 說明書No.2006-505939( 26頁，圖1 )，以及國際公開W02003 / 028124 )。在日本專利翻譯公開說明書2006-505939中描述的二極管中，二 極管的操作需要施加相當于pn二極管的正向?qū)妷?Vf)，例如，不 小于0.7V的電壓。因此，存在著在利用二極管特性的半導體存儲器設(shè) 備中很難以不大于Vf的低電壓執(zhí)行操作的問題。此外，硅pn二極管需 要以基本不小于750。C的溫度的熱處理以便激活P層或N層。因此，存 在另一個問題，對于制造商來說很難以相對較低的溫度制造利用二極 管特性的半導體存儲器設(shè)備。 發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了半導體存儲器設(shè)備，包括 按矩陣排列的笫一和第二連線(wiring);以及存儲器單元，其被提供于所述第一和第二連線的交點處，并且包 含在所述第一和第二連線之間以級聯(lián)布置方式彼此連接的電阻變化元件和離子導體元件。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了半導體存儲器設(shè)備，包括 按矩陣排列的位線和字線；以及存儲器單元，其于所述位線之一和所述字線之一的交點處被提 供，并且包含在所述位線以及與所述字線之間以級聯(lián)布置方式彼此相 互連接的電阻變化元件和離子導體元件，其中所述離子導體元件由第 一電極薄膜、離子導體薄膜和第二電極薄膜以疊加方式形成，以及所 述電阻變化元件由第二電極薄膜、電阻變化薄膜和第三電極薄膜以疊 加方式形成。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了半導體存儲器設(shè)備，包括 按矩陣排列的位線和字線；以及存儲器單元，其于所述位線之一和所述字線之一的交點處被提 供，并且包含在所述位線以及與所述字線之間以級聯(lián)布置方式彼此相 互連接的電阻變化元件和離子導體元件，其中所述離子導體元件由第 一電極薄膜、離子導體薄膜和第二電極薄膜以疊加方式形成，以及所 述電阻變化元件由第二電極薄膜、相變薄膜和第三電極薄膜以疊加方 式形成。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了控制包括第一和笫二存儲器單 元的半導體存儲器設(shè)備的方法，所述第一和第二存儲器單元每個都具離子;;元;7所述方法包括步驟f' ' '通過將位線設(shè)置成斷開電壓以及將字線設(shè)置成地電位，使第一和 第二存儲器單元處于初始化狀態(tài)； 通過將每個所述位線和字線設(shè)置成等待電壓(standby voltage )， 使第一和第二存儲器單元處于等待狀態(tài)；通過將第二存儲器單元的位線設(shè)置成置位電壓、復位電壓和讀出 電壓之一，以及通過將第二存儲器單元的字線設(shè)置成地電位，使第二 存儲器單元處于斷開狀態(tài)；將第一存儲器單元設(shè)置成處于具有流過第一存儲器單元的離子 導體元件的電流的置位狀態(tài)，通過將第一存儲器單元的字線設(shè)置成置 位電壓以及通過將第一存儲器元的位線設(shè)置成地電位，使所述電流 流動；將第一存儲器單元設(shè)置成處于具有流過第一存儲器單元的離子 導體元件的電流的復位狀態(tài)，通過將第一存儲器單元的字線設(shè)置成復 位電壓以及通過將第一存儲器單元的位線設(shè)置成地電位，使所述電流 流動；讀出存儲在具有流過第一存儲器單元的離子導體元件的電流的 第一存儲器單元的電阻變化元件中的信息，通過將第一存儲器單元的 字線設(shè)置成讀出電壓以及通過將第一存儲器單元的位線設(shè)置成地電 位，使所述電流流動；以及在第一存儲器單元的操作結(jié)束之后，將第一存儲器單元的位線設(shè) 置成斷開電壓，以及將第一存儲器單元的字線設(shè)置成地電位。


圖l是根據(jù)本發(fā)明的第 圖2是根據(jù)本發(fā)明的第 圖3是根據(jù)本發(fā)明的第 性的圖例。圖4是根據(jù)本發(fā)明的第 圖5是根據(jù)本發(fā)明的第圖例。圖6是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例示出存儲器單元的電路圖。一實施例示出存儲器單元的橫斷面視圖。一實施例示出離子導體元件的電流電壓特一實施例示出存儲器單元的操作的圖例。 一實施例示出存儲器單元的操作的另一個一實施例為描述相變元件的設(shè)置和重置操
作所提供的圖例。圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例示出存儲器單元的橫斷面視圖。 圖8是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例示出存儲器單元的橫斷面視圖。
具體實施方式
此后，參照附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。 (第一實施例)首先，參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例將描述半導體存儲器 設(shè)備以及控制該半導體存儲器設(shè)備的方法。圖1是示出存儲器單元的電 路圖。圖2是存儲器單元的橫斷面視圖。圖3是示出離子導體元件的電 流電壓特性的圖例。在該實施例中，存儲器單元由離子導體元件和相 變元件構(gòu)成。如圖1所示，作為第一連線的位線BL和作為第二連線的字線WL 被按矩陣方式排列在存儲器單元40中。充當二極管的離子導體元件和 相變元件(是一電阻元件)以級聯(lián)布置方式連接在位線BL和字線WL 之間的一部分，在該部分每一位線BL與字線WL彼此相交。所述相變元件的一端被連接到位線BL，而相變元件的另一端被 連接到充當二極管的離子導體元件的陰極。充當二極管的離子導體元 件的陽極被連接到字線WL。例如，相變元件SRla和離子導體元件IDla 被連接在位線BL1和字線WL1之間；相變元件SRlb和離子導體元件 IDlb被連接在位線BLl和字線WL2之間；相變元件SR2a和離子導體元 件ID2a被連接在位線BL2和字線WL1之間；相變元件SR2b和離子導體 元件ID2a被連接在位線BL2和字線WL2之間；各自以級聯(lián)布置方式被 連接。如圖2所示，存儲器單元40包括電極薄膜5、電極薄膜6、離子導 體薄膜7、電極薄膜8、相變薄膜9和電極薄膜10，其以層疊方式形成， 夾在作為字線WL的連線層3與作為位線BL的連線層11之間。連線層3 被提供于半導體基底l之上，并且其間插入絕緣薄膜2。此外，存儲器 單元之間形成隔層絕緣膜4。這里，作為字線WL1的連線層3之上提供
了離子導體元件IDla。離子導體元件IDla由充當下電極薄膜的電極薄 膜6、離子導體薄膜7、充當上電極薄膜的電極薄膜8以疊加方式形成。 此外，相變元件SRla被提供于存儲器單元40中，該元件由在這種情況 下充當下電極薄膜的電極薄膜8、相變薄膜9、以及充當上電極薄膜的 電極薄膜10以疊加方式形成。離子導體元件IDlb被提供于作為字線 WL2的不同連線層3之上，該元件由充當下電極薄膜的不同的電極薄 膜6、不同的離子導體薄膜7、以及充當上電極薄膜的不同的電極薄膜8 以疊加方式形成。此外，相變元件SRlb被提供于存儲器單元40中，該 元件由在這種情況下充當下電極薄膜的不同的電極8、不同的相變薄膜 9、以及充當上電極薄膜的不同的電極薄膜10以疊加方式形成。此處，硫化銀(Ag2S) /銀(Ag)被用作離子導體薄膜7 /電極薄 膜6(其部分地構(gòu)成離子導體元件)的材料。然而，可以使用硫化金屬 /金屬，例如硫化銅/銅、硫化鉻/鉻、硫化鈦/鈥、或硫化鴒/鴒。此類硫 化金屬被稱作離子導電固體電解液。在該實施例中，GeSbTe硫族化物(GST)被用作相變薄膜9的相變 元件的材料作為電阻變化元件。然而，可以使用AsSbTe或SeSbTe，或 在這些之一中加進氧、氮或硅的混合物。此外，例如這里分別使用作 為電極薄膜5、電極薄膜8和電極薄膜10的材料的鉭(Ta)、鉑(Pt) 和氮化鈥(TiN)。如圖3中所示，在施加低電壓時，離子導體元件以下列方式工作。 當施加在上電極薄膜與下電極薄膜之間的電壓被設(shè)置成相對較低的負 電壓，例如-0.1V時，電流流過離子導體元件。此時，電極薄膜6的銀 離子開始移動，然后，銀(Ag)被沉淀在充當上電極的電極薄膜8和離 子導體薄膜7的界面上。當電壓從相對較低的負電壓變化到相對較低 正電壓例如直到+0.2 V時，電流基本線性地流過離子導體元件(負電 流流過負側(cè)，而正電流流過正側(cè))。利用相對較高正電壓，例如0.2V， 流過離子導體元件的電流飽和。沉淀在充當上電極的電極薄膜8與離子 導體薄膜7之間的界面上的銀(Ag)也飽和。接著，當施加在上電極薄膜與下電極薄膜之間的電壓被設(shè)置成相 對較高的正電壓，例如+0.3 V時，電流不流過離子導體元件(沉淀在 充當上電極的電極薄膜8與離子導體薄膜7之間的界面上的銀(Ag)移 動到電極薄膜6)。當電壓從相對較低的正電壓變化到相對較低的負電 壓時，電流也不流過離子導體元件。當施加在上電極薄膜與下電極薄 膜之間的電壓被設(shè)置成-0.1 V時，電流再次開始流過離子導體元件。如上面所描述的，離子導體元件無需正向?qū)妷?Vf)(例如， 不同于硅pn二極管)就可執(zhí)行二極管操作。具體地，當相對較低的負 電壓被施加到充當上電極的電極薄膜8上時，電流流動(正向)。此時 電阻值非常小，例如基本為50Q等，甚至在電極薄膜和離子導體薄膜 的面積為例如50nm①的情況下。當相對較低的正電壓被施加到充當上 電極的電極薄膜8上時，電流不流動(反方向)。已描述了低電壓時的工作。然而，當相對較高的負電壓例如-2v 被施加到充當上電極的電極薄膜8時，相對較大的電流流動。此外， 當相對較高的正電壓例如+2v被施加到充當上電極的電極薄膜8時， 電流不流動。順便提及，應注意到電極薄膜8可被省略。在這種情況 下，從離子導體薄膜沉淀的金屬充當相變薄膜9的下電極薄膜。接下來參照圖4到6將描述存儲器單元的工作。圖4是示出存儲器 單元的工作的圖例。圖5是示出存儲器單元的工作的另一個圖例。圖6 是描述相變元件的設(shè)置和復位操作的圖例。如圖4中所示，在初始化時的存儲器單元中，位線BL1和BL2被設(shè) 置成斷開電壓(Voff)，而字線W1和W2被"&置成作為地電位的低電 壓端供電電壓(Vss)。當Vss〈Voff時，在銀(Ag)被沉淀在充當上電 極的電極薄膜8與離子導體薄膜7之間的界面上的情況下，沉淀的銀(Ag) 移動到充當下電極的電極薄膜6上。在不沉淀銀(Ag)的情況下，沒有變 化。如圖5中所示，在等待時的存儲器單元中，位線BL1和BL2以及字 線Wl和W2被設(shè)置成比低電壓端供電電壓Vss高的等待電壓Vstby,接下來，在第一工作狀態(tài)時的存儲器單元中，未連接到預定存儲 器單元(這里，連接到位線BL2和字線WL2的存儲器單元)的位線被 設(shè)置成高電壓Vh，而字線被設(shè)置成低電壓端供電電壓(地電位)Vss。 該高電壓Vh可被設(shè)定成置位電壓Vset、復位電壓Vreset和讀出電壓 Vread中的任何一個。應注意到，對連接到工作的存儲器單元的位線 和字線設(shè)定的電壓設(shè)置直到第三個工作狀態(tài)才變化。隨后，在第二工作狀態(tài)時的存儲器單元中，位線BL2和字線WL2 分別被設(shè)置成低電壓端供電電壓Vss和高電壓Vh。從而，電流流過離 子導體元件ID2b，然后存儲器單元變成ON狀態(tài)。這里，當高電壓Vh 被設(shè)置成置位電壓Vset時，存儲器單元變成置位狀態(tài)。當高電壓Vh被 設(shè)置成復位電壓Vreset時，存儲器單元變成復位狀態(tài)。此外，當高電 壓Vh被設(shè)置成置位電壓Vread時，可讀取存儲器單元中的信息。復位 電壓Vreset、置位電壓Vset和讀出電壓Vread的關(guān)系，以及低電壓端供 電電壓Vss 、等待電壓Vstby和讀出電壓Vread的關(guān)系被設(shè)定如下Vreset ^:Vset^ VreadVss <Vstby < Vread在作為存儲器元件的相變元件SR2b從低電阻'T'的狀態(tài)的多晶 狀態(tài)變化到高電阻"O"的狀態(tài)的非晶態(tài)的情況下(復位工作)，復位 脈沖信號在tl期間(例如小于lns)被施加到相變元件SR2b上。然后， 通過使相對大的電流(復位電流)流過相變元件SR2b,相變元件SR2b 的溫度被增加到等于或大于熔點(Tm)，使得相變元件SR2b被迅速 冷卻。另 一方面，在相變元件SR2b從高電阻"0"的狀態(tài)的非晶態(tài)變化到 低電阻"l"的狀態(tài)的多晶態(tài)的情況下(置位工作狀態(tài))，在不小于例 如10ns的t2期間，復位脈沖信號被施加到相變元件SR2b。然后，通過 使相對小的的電流(置位電流)流過相變元件SR2b,相變元件SR2b 的溫度在一個預定時間段被保持不高于熔點并且不低于結(jié)晶溫度 (Tc)。在離子導體元件ID2b為"ON"的狀態(tài)中，存儲器單元上的信息(相 變元件SR2b是否為"l"或"0"的信息)可通過將字線WL2設(shè)置成讀出 電壓Vread而獲得。
然后，在第三工作狀態(tài)時的存儲器單元中，位線BL2和字線WL2 被分別設(shè)置成斷開電壓Voff和低電壓端供電電壓Vss。因此，在銀(Ag) 被沉淀在充當離子導體元件的上電極的的電極薄膜8與離子導體薄膜7 之間的界面上的情況下，沉淀的銀(Ag)移動到充當下電極的電極薄膜6 上。第三工作狀態(tài)被置位后，存儲器單元回到等待狀態(tài)。此處，通過將第三工作狀態(tài)設(shè)置給存儲器單元，允許離子導體元 件返回到"OFF"狀態(tài)。因此，在訪問下一位的情況下，可減少泄漏電 流，并且存儲器單元可因此變成低電流消耗類型。如上所述，在半導體存儲器設(shè)備以及根據(jù)本實施例控制該半導體 存儲器設(shè)備的方法中，提供了存儲器單元40，其中作為電阻變化元件 的相變元件與充當二極管的離子導體元件在位線BL與字線WL之間， 以級聯(lián)布置方式提供。離子導體元件由充當下電極的電極薄膜6、離子 導體薄膜7和充當上電極的電極薄膜8構(gòu)成。相變元件由充當下電極的 電極薄膜8、相變薄膜9和充當上電極的電極薄膜10構(gòu)成。當通過將比 硅pn二極管的導通電壓(Vf)低的電壓(例如-O.l V)施加到充當上 電極的電極薄膜8，當電流流過離子導體元件時，離子導體元件變成 "ON"狀態(tài)(此時電阻值非常小)。同時，通過將正電壓施加到充當 上電極的電極薄膜8，當不使電流流過離子導體元件時，離子導體元件 變成"OFF，，狀態(tài)。相變元件的電阻為高的狀態(tài)"O"可通過使離子導體 元件變成"ON"狀態(tài)，然后通過將作為復位脈沖信號的復位電壓Vreset 施加到字線WL來設(shè)置。相變元件的電阻為低的狀態(tài)，，l"可通過使離子 導體元件變成"ON"狀態(tài)，然后通過將作為置位脈沖信號的置位電壓 Vset施加到字線WL來設(shè)置。因此，與利用二極管特性的常規(guī)半導體存儲器設(shè)備相比，根據(jù)本 實施例的半導體存儲器設(shè)備可工作于低電壓。此外，由于根據(jù)本實施 例的半導體存儲器設(shè)備不使用硅pn二極管，所以不再需要用于激活P 層或N層的基本不小于750"的熱處理。因此，可以以相對較低的溫度 制造利用二極管特性的半導體存儲器設(shè)備。應注意到，雖然在本實施例中硫化銀(Ag2S)被用作離子導體薄膜7的材料，但是下列的任何一種也可以被用作離子導體薄膜7的材料 離子導電固體電解液，例如碘化銀；穩(wěn)定二氧化鋯；3d或4d過渡金屬 硫族化物(即S、 Se或Te )或卣化物(F、 Cl、 Br、 I);或不相似的金屬 元素(Na、 Ag、 Cu)被添加到的3d或4d過渡金屬氧化物(即W03、 Ti02 或SrTi02 )。此外，導電性互不相同，并且其中兩者都包含相同可動離子的兩 種離子導體薄膜的組合可被用來代替離子導體薄膜7/電極薄膜6的組 合。在這種情況下，碘化亞銅(CuI)薄膜可被用來代替離子導體薄膜 7，而銅(II )硫化物(CuS )薄膜可被用來代替電極薄膜6。當用這種 方法實行時，沉淀在CuI薄膜與處于，'ON"狀態(tài)的CuS薄膜之間的界面 上的銅迅速擴散到處于"OFF，，狀態(tài)的CuS薄膜中。因此，如果使用銅 膜作為電極薄膜6，其可降低導致離子導體元件的短路的銅的枝狀結(jié)晶 (Dendrite)生長。 (第二實施例)接下來，參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例將描述半導體存儲 器設(shè)備。圖7是存儲器單元的橫斷面視圖。在該實施例中，存儲器單元 由離子導體元件和電阻變化元件構(gòu)成。如圖7中所示，存儲器單元40a包括電極薄膜21、離子導體薄膜 22、電極薄膜23、過渡金屬氧化物薄膜24與電極薄膜25，以疊加方 式夾在作為字線WL的連線層3與作為位線BL的連線層11之間。連 線層3和11被提供于半導體基底1之上，并且其間插入絕緣薄膜2。 此外，存儲器單元之間形成隔層絕緣膜4。此處，離子導體元件被提' 供于連線層3之上。離子導體元件由充當下電極薄膜的電極薄膜21、 離子導體薄膜22和充當上電極薄膜的電極薄膜23以疊加方式形成。 此外，電阻變化元件被提供于存儲器單元40中，該元件由在這種情況 下充當下電極薄膜的電極薄膜23、作為電阻變化薄膜的過渡金屬氧化 物薄膜24、以及充當上電極薄膜的電極薄膜25以疊加方式形成。此處，硫化銅(Cii2S)/銅(Cu)被用作離子導體薄膜22/電極薄膜21 的材料，其構(gòu)成離子導體元件。此外，氧化鎳(NiO二元過渡金屬氧化
物薄膜)被用作充當電阻變化薄膜的過渡金屬氧化物薄膜24的材料。然 而，可以使用諸如氧化鈮、 一氧化銅、氧化鉿或氧化鋯的二元過渡金 屬氧化物。此外，可以使用這些的層疊結(jié)構(gòu)薄膜。此處、氮化鈦鋁(TiAIN)被用作例如電極薄膜23和25的材料。 然而，可以使用氮化鈦硅、氮化鉭鋁、氮化鉭硅等等。當過渡金屬氧化物薄膜24的電阻值為低的狀態(tài)(作為"ON"的 "1")被轉(zhuǎn)變成過渡金屬氧化物薄膜24的電阻值為高的狀態(tài)(作為 "OFF"的"0")時，復位脈沖電壓被施加到充當存儲器元件的電阻變 化元件。此外，當過渡金屬氧化物薄膜24的電阻值為高的狀態(tài)(作為 "OFF"的"0")被轉(zhuǎn)變成過渡金屬氧化物薄膜24的電阻值為低的狀態(tài) (作為"ON"的"l")時，置位脈沖電壓被施加到電阻變化元件。如上所述，在根據(jù)本實施例的半導體存儲器設(shè)備中，提供了存儲 器單元40a，其中電阻變化元件與充當二極管的離子導體元件在位線 BL與字線WL之間，以級聯(lián)布置方式提供。離子導體元件由充當下電 極的電極薄膜21、離子導體薄膜22和充當上電極的電極薄膜23構(gòu)成。 電阻變化元件由充當下電極的電極薄膜23、充當電阻變化薄膜的過渡 金屬氧化物薄膜24和充當上電極的電極薄膜25構(gòu)成。當通過將比硅pn 二極管的導通電壓(Vf)低的電壓(例如-O.l V)施加到充當上電極 的電極薄膜23，使電流流過離子導體元件時，離子導體元件變成"ON" 狀態(tài)(此時電阻值非常小)。當通過將正電壓施加到充當上電極的電 極薄膜23，不使電流流過離子導體元件時，離子導體元件變成"OFF" 狀態(tài)。電阻變化元件的電阻為高的狀態(tài)"O"可通過使離子導體元件變 成"ON"狀態(tài)，然后通過將復位電壓Vreset施加到字線WL來設(shè)置。電 阻變化元件的電阻為低的狀態(tài)"l"可通過使離子導體元件變成"ON" 狀態(tài)，然后通過將置位電壓Vset施加到字線WL來設(shè)置。因此，與利用二極管特性的常規(guī)半導體存儲器設(shè)備相比，根據(jù)本 實施例的半導體存儲器設(shè)備可工作于低電壓。此外，由于根據(jù)本實施 例的半導體存儲器設(shè)備不使用硅pn二極管，所以不再需要用于激活P 層或N層的基本不小于750"的熱處理。因此，可以以相對較低的溫度 制造利用二極管特性的半導體存儲器設(shè)備。在該實施例中，二元過渡金屬氧化物薄膜24被用作電阻變化元件 的電阻變化薄膜。然而，可以使用其中摻雜過渡金屬的鉤鈦-類型氧化 物。此外，可以省略電極薄膜23。在這種情況下，從離子導體薄膜沉 淀的金屬充當電阻變化薄膜24的下電極。(第三實施例)接下來，參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的第三實施例將描述半導體存儲 器設(shè)備。圖8是存儲器單元的橫斷面視圖。在該實施例中，存儲器單元 的結(jié)構(gòu)被改變。此后，相同參考標記用來表示與第一實施例中的那些相同的元 件，省略元件的描述，將僅描述不同的元件。如圖8中所示，存儲器單元40b由以疊加方式夾在作為字線WL的 連線層3與相變薄膜9之間的電極薄膜21、離子導體薄膜7和電極薄膜8 形成。連線層3被提供于半導體基底1之上，具有插入其間的絕緣薄膜2 。 此外，離子導體元件之間形成隔層絕緣膜4。此外，在相變薄膜9之上 形成電極薄膜10與作為位線BL1的連線層11。此處，在作為字線WL1的連線層3上提供由充當下電極薄膜的電 極薄膜21、離子導體薄膜7與充當上電極的電極薄膜8以疊加方式形成 的第一離子導體元件。在作為字線WL2的不同的連線層3上提供由充 當下電極薄膜的不同的電極薄膜21、不同的離子導體薄膜7、以及充當 上電極的不同的電極薄膜8以疊加方式形成的第二離子導體元件。此 外，在存儲器單元40b中提供了由每個充當下電極薄膜的電極薄膜8、 相變薄膜9以及充當上電極的電極薄膜10以疊加方式形成的相變元件。 應注意到，電極薄膜8可被省略。在這種情況下，從離子導體薄膜沉淀 的金屬充當相變薄膜9的下電極。如上所述，在根據(jù)本實施例的半導體存儲器設(shè)備中，提供了存儲 器單元40b，其中充當電阻變化元件的相變元件與充當二極管的離子導 體元件在位線BL與字線WL之間以級聯(lián)布置方式被連接。每一離子導
體元件由充當下電極的電極薄膜21、離子導體薄膜7和充當上電極的電 極薄膜8構(gòu)成。相變元件由每個充當下電極的電極薄膜8、相變薄膜9 和充當上電極的電極薄膜10構(gòu)成。當通過將比硅pn二極管的導通電壓 (Vf)低的電壓(例如-O.l V)施加到充當上電極的電極薄膜8，使電 流流過離子導體元件時，每一離子導體元件變成"ON"狀態(tài)(此時電 阻值非常小)。當通過將正電壓施加到充當上電極的電極薄膜8，不使 電流流過離子導體元件時，每一離子導體元件變成"OFF"狀態(tài)。相變 元件的電阻為高的狀態(tài)"0"可通過使離子導體元件變成"ON"狀態(tài)，然 后通過將作為復位脈沖信號的復位電壓Vreset施加到字線WL來設(shè)置。 相變元件的電阻為低的狀態(tài)"l"可通過使離子導體元件變成"ON"狀 態(tài)，然后通過將作為置位脈沖信號的置位電壓Vset施加到字線WL來設(shè) 置。因此，與利用二極管特性的常規(guī)半導體存儲器設(shè)備相比，根據(jù)本 實施例的半導體存儲器設(shè)備可工作于低電壓。此外，由于根據(jù)本實施 例的半導體存儲器設(shè)備不使用硅pn二極管，所以不再需要用于激活P 層或N層的基本不小于750'C的熱處理。因此，可以以相對較低的溫度 制造利用二極管特性的半導體存儲器設(shè)備。本發(fā)明不被限制在上述實施例。在不偏離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的 前提下，可以進行各種修改。例如，雖然在本實施例中，電阻變化元件和離子導體元件這些線 之間沿著從位線到字線的方向，以級聯(lián)布置方式按照這樣的順序被連 接，但是電阻變化元件和離子導體元件的連接順序可被改變。換言之， 以級聯(lián)布置方式按照這樣的順序連接所述離子導體元件和電阻元件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會很容易地想到其它優(yōu)點和修改。因此，本發(fā) 明的范圍不被限制在這里示出和描述的細節(jié)和典型實施例。因此，在 不偏離如所附權(quán)利要求書及其等同描述定義的等同描述一般發(fā)明概念 的構(gòu)思或范圍的前提下，可以進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種半導體存儲器設(shè)備，包括按矩陣排列的第一和第二連線；以及存儲器單元，其被提供于所述第一和第二連線的交點處，并且包含在所述第一和第二連線之間以級聯(lián)布置方式彼此連接的電阻變化元件和離子導體元件。
2. 如權(quán)利要求1所述的半導體存儲器設(shè)備，其中所述第一連線是 位線，以及所述第二連線是字線。
3. 如權(quán)利要求1所述的半導體存儲器設(shè)備，其中構(gòu)成所述離子導 體元件的離子導體薄膜由離子導體固態(tài)電解質(zhì)組成，該離子導體固態(tài) 電解質(zhì)包括硫化物金屬、碘化銀、3d或4d過渡金屬硫族化物和3d或4d 過渡金屬卣素中的任何一個。
4. 如權(quán)利要求1所述的半導體存儲器設(shè)備，其中構(gòu)成所述電阻變 化元件的電阻變化薄膜是相變薄膜，所述相變薄膜包括GeSbTe、 AsSbTe、 SeAsTe，以及將氧、氮化物和珪中的任何一個添加到這些物 質(zhì)中之一所獲得的混合物中的任何一個。
5. —種半導體存儲器設(shè)備，包括 按矩陣排列的位線和字線；以及存儲器單元，其于所述位線之一和所述字線之一的交點處被提 供，并且包含在所述位線以及與所述字線之間以級聯(lián)布置方式彼此相 互連接的電阻變化元件和離子導體元件，其中所述離子導體元件由第 一電極薄膜、離子導體薄膜和第二電極薄膜以疊置方式形成，以及所 述電阻變化元件由笫二電極薄膜、電阻變化薄膜和第三電極薄膜以疊 置方式形成。
6. 如權(quán)利要求5所述的半導體存儲器設(shè)備，其中所述電阻變化薄 膜由過渡金屬氧化物構(gòu)成，所述過渡金屬氧化物包括氧化鎳、氧化鈮、 一氧化銅、氧化鉿和氧化鋯中的任何一個。
7. 如權(quán)利要求5所述的半導體存儲器設(shè)備，其中所述電阻變化薄膜由包含摻雜過渡金屬的鈣鈦類型氧化物構(gòu)成。
8. 如權(quán)利要求5所述的半導體存儲器設(shè)備，其中第二電極薄膜由 鉑、氮化鈦、氮化鈦鋁、氮化鈦硅、氮化鉭鋁和氮化鉭硅中的任何一 個構(gòu)成。
9. 如權(quán)利要求5所述的半導體存儲器設(shè)備，其中第三電極薄膜由 氮化鈦、氮化鈦鋁、氮化鈦硅、氮化鉭鋁和氮化鉭硅中的任何一個構(gòu) 成。
10. —種半導體存儲器設(shè)備，包括 按矩陣排列的位線和字線；以及存儲器單元，其于所述位線之一和所述字線之一的交點處被提 供，并且包含在所述位線以及與所述字線之間以級聯(lián)布置方式彼此相 互連接的電阻變化元件和離子導體元件，其中所述離子導體元件由第 一電極薄膜、離子導體薄膜和第二電極薄膜以疊置方式形成，以及所 述電阻變化元件由第二電極薄膜、相變薄膜和第三電極薄膜以疊置方 式形成0
11. 如權(quán)利要求10所述的半導體存儲器設(shè)備，其中第二電極薄膜由 鉑、氮化鈦、氮化鈦鋁、氮化鈦硅、氮化鉭鋁和氮化鉭硅中的任何一 個構(gòu)成。
12. 如權(quán)利要求10所述的半導體存儲器設(shè)備，其中第三電極薄膜由 氮化鈦、氮化鈦鋁、氮化鈦硅、氮化鉭鋁和氮化鉭硅中的任何一個構(gòu) 成。
13. —種控制包括笫一和第二存儲器單元的半導體存儲器設(shè)備的 方法，所述第 一和第二存儲器單元各自都具有在位線和字線之間以級 聯(lián)布置方式彼此相互連接的電阻變化元件和離子導體元件，所述方法 包括步驟通過將位線設(shè)置成斷開電壓以及將字線設(shè)置成地電位，使第一和 第二存儲器單元處于初始化狀態(tài)；通過將所述位線和字線的每一個設(shè)置成等待電壓，使笫一和第二 存儲器單元處于等待狀態(tài)； 通過將第二存儲器單元的位線設(shè)置成置位電壓、復位電壓和讀出 電壓之一，以及通過將第二存儲器單元的字線設(shè)置成地電位，使笫二存儲器單元處于斷開狀態(tài)；將第一存儲器單元設(shè)置成處于具有流過第一存儲器單元的離子 導體元件的電流的置位狀態(tài)，通過將第一存儲器單元的字線設(shè)置成置 位電壓以及通過將第一存儲器單元的位線設(shè)置成地電位，使所述電流 流動；將第一存儲器單元設(shè)置成處于具有流過第一存儲器單元的離子 導體元件的電流的復位狀態(tài)，通過將第一存儲器單元的字線設(shè)置成復 位電壓以及通過將第一存儲器單元的位線設(shè)置成地電位，使所述電流 流動；讀出存儲在具有流過第一存儲器單元的離子導體元件的電流的 第一存儲器單元的電阻變化元件中的信息，通過將第一存儲器單元的 字線設(shè)置成讀出電壓以及通過將第一存儲器單元的位線設(shè)置成地電 位，使所述電流流動；以及在第一存儲器單元的操作結(jié)束之后，將第一存儲器單元的位線設(shè) 置成斷開電壓以及將第一存儲器單元的字線設(shè)置成地電位。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中構(gòu)成所述離子導體元件的離子 導體薄膜由離子導體固態(tài)電解質(zhì)組成，所述離子導體固態(tài)電解質(zhì)包括 硫化物金屬、碘化銀、3d或4d過渡金屬硫族化物和3d或4d過渡金屬卣 素中的任何一個。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中構(gòu)成所述電阻變化元件的電阻 變化薄膜是相變薄膜，所述相變薄膜包括GeSbTe、 AsSbTe、 SeAsTe， 以及將氧、氮化物和硅中的任何一個添加到這些物質(zhì)之一所獲得的混 合物中的任何一個。
全文摘要
一種半導體存儲器設(shè)備，包括按矩陣排列的第一和第二連線以及存儲器單元，所述存儲器單元被提供于所述第一和第二連線的交點處，并且包含在所述第一和第二連線之間以級聯(lián)布置方式彼此連接的電阻變化元件和離子導體元件。
文檔編號H01L27/115GK101154667SQ20071016160
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者福住嘉晃, 青地英明 申請人:株式會社東芝