專利名稱：一種垂直選擇管以及由其形成的存儲單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及存儲器技術(shù)，特別涉及一種垂直選擇管以及由其形成的存儲單元。
背景技術(shù)：
阻變存儲器(RRAM)和相變存儲器(PCM)作為一種新型的不揮發(fā)存儲技術(shù)，由于其存儲密度高、功耗低、讀寫速度快、數(shù)據(jù)保持時間長、多值實現(xiàn)、單元面積、與CMOS工藝兼容等優(yōu)越性能而備受關(guān)注。其中，可實現(xiàn)三維集成的阻變存儲器和相變存儲器成為高密度存儲器的研究焦點。但三維存儲器的多層堆疊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致存儲單元之間、層與層之間出現(xiàn)串?dāng)_、泄漏電流以及工藝制造困難等問題?，F(xiàn)有的存儲單元主要包括lTlR(0ne Transistor One Resistor)結(jié)構(gòu)和 lDlR(0ne Diode One Resistor)結(jié)構(gòu)。ITlR結(jié)構(gòu)即一個MOS晶體管與一個可變電阻串聯(lián)，晶體管起選擇和隔離的作用。但是晶體管屬于有源器件，需在前端工藝完成，且最小單元面積受晶體管制約，不利于存儲單元的高密度三維堆疊。IDlR結(jié)構(gòu)即一個二極管與一個可變電阻串聯(lián)， 由二極管的整流特性實現(xiàn)對電阻的選擇。二極管的高正向電流密度、高開關(guān)電流比和工藝兼容性是重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)?；趩尉i材料的二極管電流密度和整流比較高，但工藝溫度較高，且不易在金屬電極上制造；基于氧化物的二極管雖工藝兼容性好，但正向電流密度并不理想。因此，需要一種具有高開關(guān)電流比、易于制造的選擇器件成為三維存儲器的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)問題之一，提供一種垂直選擇管以及由其構(gòu)成的存儲單元，適用于阻變存儲器和相變存儲器的三維集成。為達到上述目的，本發(fā)明一方面提供一種垂直選擇管，包括上電極；下電極；以及形成在所述上電極和下電極之間的半導(dǎo)體體區(qū)，其中，所述半導(dǎo)體體區(qū)包括依次垂直堆疊的第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、第三半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層，其中，所述第一半導(dǎo)體層和所述第三半導(dǎo)體層為第一類型摻雜，所述第二半導(dǎo)體層和所述第四半導(dǎo)體層為第二類型摻雜，在所述第三半導(dǎo)體層的一個側(cè)面形成有柵堆疊，且所述第三半導(dǎo)體層的摻雜濃度低于所述第二半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層的摻雜濃度，以使所述第二半導(dǎo)體層、第三半導(dǎo)體層、第四半導(dǎo)體層和所述柵堆疊形成垂直的MOS晶體管，所述第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層形成垂直的二極管。其中，所述第一類型摻雜為P型或N型摻雜，第二類型摻雜為與所述第一類型摻雜相反的N型或P型摻雜。其中，所述半導(dǎo)體體區(qū)的材料為N型或P型摻雜的多晶半導(dǎo)體材料，例如摻雜的多晶硅或多晶鍺。相對于需要高溫工藝制備的單晶材料，多晶材料可以通過外延等方法在較低溫度下制備，故采用多晶材料制備的選擇管不會影響其電阻元件或其他器件的性能。
其中，所述半導(dǎo)體體區(qū)中各層的厚度范圍為10-200nm，并且所述第二半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層的厚度大于所述第一半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層的厚度。這種柵控的PNPN選擇管可近似為兩個寄生雙極性晶體管相互作用而導(dǎo)致工作時形成閂鎖效應(yīng)，因此增加中間兩層的厚度，相當(dāng)于增加兩個雙極管的基區(qū)厚度，從而減小雙極管的放大倍數(shù)，抑制閂鎖效應(yīng)。其中，所述的垂直選擇管的工作過程為對所述柵堆疊施加電壓，使所述MOS晶體管開啟，同時對所述上、下電極施加電壓，使所述二極管正向?qū)ㄇ遗c所述MOS管形成通路，以實現(xiàn)選擇管開啟；對所述柵堆疊施加電壓，使所述MOS管關(guān)斷，同時對所述上、下電極施加電壓，使所述二極管斷開，以實現(xiàn)選擇管關(guān)斷。由于所述的選擇管關(guān)斷時等效于兩個反偏PN結(jié)二極管和一個正偏的PN結(jié)二極管相串聯(lián)，反向漏電大大減小。本發(fā)明另一方面提供一種存儲器單元結(jié)構(gòu)，包括阻變單元或相變單元；如上所述的選擇管，且所述選擇管與所述阻變單元或相變單元相互串聯(lián)。其中，所述阻變單元或相變單元為形成在所述垂直選擇管的上電極或下電極表面的薄膜存儲介質(zhì)。其中，所述阻變單元的材料包括Nix0y、NbxOy, TixOy, HfxOy, MgxOy, CoxOy, CrxOy, VxOy, Znx0y、Alx0y、&x0y、AlxNy 等，其中，x、y 的范圍為 0-1。其中，所述相變單元的材料包括Ge-Se-Te的硫系化合物。所述存儲單元的工作過程為當(dāng)所述選擇管開啟時，所述阻變單元或相變單元被選通；當(dāng)所述選擇管關(guān)斷時，所述阻變單元或相變單元未被選中。通過本發(fā)明提供的柵控PNPN垂直選擇管以及該選擇管與阻變單元或相變單元串聯(lián)所形成的存儲單元結(jié)構(gòu)，有效改善存儲陣列操作時的相鄰單元之間的串?dāng)_和漏電問題， 特別適用于三維堆疊的高密度存儲陣列。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1是本發(fā)明實施例的垂直選擇管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的垂直選擇管開啟時的原理示意圖、能帶示意圖和等效電路圖；圖4是本發(fā)明的垂直選擇管關(guān)斷時的原理示意圖、能帶示意圖和等效電路圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。圖1是本發(fā)明實施例的垂直選擇管的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，垂直選擇管包括上電極1、下電極2以及形成在所述上、下電極之間的半導(dǎo)體體區(qū)3。半導(dǎo)體體區(qū)3包括自上而下依次垂直堆疊的第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、第三半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層，其中， 第一半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層為P型摻雜，第二半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層為N型摻雜，第三層P型半導(dǎo)體層的側(cè)面形成有柵堆疊，所述柵堆疊包括柵氧化物4和柵極5，第三層P型半導(dǎo)體層的摻雜濃度低于第二層和第四層N型半導(dǎo)體層，相當(dāng)于在第二層和第四層N型半導(dǎo)體層之間形成類似MOS晶體管的溝道的結(jié)構(gòu)，從而使第二半導(dǎo)體層、第三半導(dǎo)體層、第四半導(dǎo)體層N-P-N和所述柵堆疊形成類似垂直的MOS晶體管的結(jié)構(gòu)，第一層P型半導(dǎo)體層和第二層N型半導(dǎo)體層形成類似垂直的二極管的結(jié)構(gòu)，整個垂直選擇管相當(dāng)于形成在上、下電極之間的相互串聯(lián)的一個二極管和一個MOS晶體管，選擇管通過上、下電極與其他器件進行電連接。其中，體區(qū)四層半導(dǎo)體層的材料為摻雜的多晶半導(dǎo)體材料，例如摻雜的多晶硅或摻雜的多晶鍺。相對于需要高溫工藝制備的單晶材料，多晶材料可以通過外延等方法在較低溫度下制備，故采用多晶材料制備的選擇管不會影響其電阻元件或其他器件的性能。各層的厚度范圍為10-200nm。優(yōu)選的，中間兩層半導(dǎo)體區(qū)的厚度需大于最上層和最下層的半導(dǎo)體。這種柵控的PNPN選擇管可近似為兩個寄生雙極性晶體管相互作用而導(dǎo)致工作時形成閂鎖效應(yīng)，因此增加中間兩層的厚度，相當(dāng)于增加兩個雙極管的基區(qū)厚度，從而減小雙極管的放大倍數(shù)，抑制閂鎖效應(yīng)。需指出的是，本發(fā)明實施例以第一半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層為P型摻雜、第二半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層為N型摻雜為例進行描述，在實際運用中，以第一半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層為N型摻雜、第二半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層為P型摻雜同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明，在此不再贅述。圖2是本發(fā)明實施例的存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，該存儲單元包括垂直選擇管6和與其串聯(lián)的阻變單元或相變單元7。在本實施例中，以選擇管6的上電極1作為與阻變單元或相變單元連接的電極，下電極2作為公用電極。相變單元或阻變單元優(yōu)選地可以是形成在上電極1表面的薄膜存儲介質(zhì)。其中，阻變單元的材料包括Nix0y、NbxOy, TixOy,HfxOy,MgxOy,CoxOy, CrxOy, VxOy, ZnxOy,AlxOy, ZrxOy,AlxNy (x> Y 的范圍在 0-1 之間)等化合物材料或其他聚合物材料，尤其是其中的二元金屬氧化物或氮化物在制備中大多不需要高溫，且易控制成膜厚度，故為本發(fā)明實施例的組變單元的優(yōu)選材料。相變單元的材料包括 Ge-Se-Te的硫系化合物等。如圖中虛線圈所示的部分即為一個存儲單元8。在該存儲單元的上下端分別連接有公用電極9，其中垂直選擇管6的下電極2可作為其中的下公用電極。 電極的材料可以為摻雜的多晶硅或其他電極材料，如TiN等金屬材料。上下的兩個公用電極互相垂直，為多個存儲單元共用，形成交叉點陣的存儲陣列。圖3是本發(fā)明的垂直選擇管開啟時的原理示意圖、能帶示意圖和等效電路圖。當(dāng)柵極施加合適的正電壓+VG時，第三層P型半導(dǎo)體層的柵極界面處附近的電子以及該層上下兩半導(dǎo)體層N區(qū)中的部分電子會由于柵壓吸引向柵極界面移動，逐漸形成反型的電子溝道10，即N-區(qū)域，如圖中虛線所示，則位于下部的MOS管開啟。此時在選擇管的上下電極分別施加合適的正偏電壓，例如上電極施加+Vl電壓，下電極施加接地電壓或者-V2電壓，上部的PN 二極管正向?qū)ǎ瑒t在選擇管的體區(qū)形成自上而下的電場，體區(qū)的電子會在該電場的作用下，由下向上定向的流動，即形成從上向下流動的選通開啟電流Jon。沿A-A’方向的能帶圖中也反映出該開啟的原理當(dāng)施加正柵壓后，第三層P型半導(dǎo)體層的柵極界面附近反型成為N-區(qū)，導(dǎo)帶底Ec和價帶頂Ev都向下；上下電極施加電壓形成的V1+V2的電壓和，使得上層P型和N型體區(qū)的能帶都出現(xiàn)不同程度向下的彎曲，此時，電子需要越過的勢壘降低，形成從底層N區(qū)向頂層P區(qū)的電子流動。開啟時的選擇管可以等效為一個正向?qū)ǖ亩O管串聯(lián)一個開啟的MOS管，如等效電路圖所示。開啟后選擇管的電阻很小，所以對上下電極所加電壓的分壓也僅是極小一部分，絕大部分的電壓將落在阻變單元或相變單元上，從而實現(xiàn)該選擇管所在的存儲單元的選通。圖4是選擇管關(guān)斷時的原理示意圖、能帶示意圖和等效電路圖。當(dāng)柵極施加接地電壓或者浮空時，第三層P型半導(dǎo)體層中柵極界面不形成反型的電子溝道，則位于下部的 MOS管不開啟。此時在選擇管的上下電極分別施加合適的反偏電壓，例如上電極施加-V3電壓，下電極施加接地電壓或者+V4電壓，上部兩層P-N半導(dǎo)體層形成的PN 二極管和下部兩層P-N半導(dǎo)體層形成的PN 二極管都反偏，形成反偏耗盡區(qū)11，僅有極小的反偏電流J。ff流過。此時，雖然中間兩層N-P半導(dǎo)體層形成的二極管此時是正偏的，但由于上下各串聯(lián)一個反偏的二極管，整個選擇管依然關(guān)斷。此時流過選擇管的是反向的漏電流J。ff，相比于一般反偏二極管更小。在沿B-B’方向的能帶圖中亦可看出，柵極不加電壓，上下電極施加電壓形成的V3+V4的電壓和，使得下層N型半導(dǎo)體層的能帶向下彎曲，頂層N型半導(dǎo)體層的能帶略向上彎曲，此時，電子、空穴需要越過的勢壘增高，很難自上向下流動，如能帶圖中虛線方向所示。關(guān)斷時的選擇管可以等效為三個“頭尾”相串聯(lián)的二極管，如等效電路圖所示。關(guān)斷后選擇管的電阻很大，漏電流很小，對上下電極所加電壓的分壓很大，從而實現(xiàn)該選擇管所在的存儲單元的關(guān)斷，即該選擇管所在的存儲單元不選中。通過本發(fā)明提供的柵控PNPN垂直選擇管以及該選擇管與阻變單元或相變單元串聯(lián)所形成的存儲單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)具有高開關(guān)電流比、易于制造的選擇器件，有效改善存儲陣列操作時的相鄰單元之間的串?dāng)_和漏電問題，特別適用于三維堆疊的高密度存儲陣列。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種垂直選擇管，其特征在于，包括上電極；下電極；以及形成在所述上電極和下電極之間的半導(dǎo)體體區(qū)，其中，所述半導(dǎo)體體區(qū)包括依次垂直堆疊的第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、第三半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層，其中，所述第一半導(dǎo)體層和所述第三半導(dǎo)體層為第一類型摻雜，所述第二半導(dǎo)體層和所述第四半導(dǎo)體層為第二類型摻雜，在所述第三半導(dǎo)體層的一個側(cè)面形成有柵堆疊，且所述第三半導(dǎo)體層的摻雜濃度低于所述第二半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層的摻雜濃度，以使所述第二半導(dǎo)體層、第三半導(dǎo)體層、第四半導(dǎo)體層和所述柵堆疊形成垂直的MOS晶體管，所述第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層形成垂直的二極管。
2.如權(quán)利要求1所述的垂直選擇管，其特征在于，所述第一類型摻雜為P型或N型摻雜，第二類型摻雜為與所述第一類型摻雜相反的N型或P型摻雜。
3.如權(quán)利要求1所述的垂直選擇管，其特征在于，所述半導(dǎo)體體區(qū)的材料為摻雜的多晶硅或多晶鍺。
4 .如權(quán)利要求1所述的垂直選擇管，其特征在于，所述半導(dǎo)體體區(qū)中各層的厚度范圍為 10-200nm。
5.如權(quán)利要求1-4所述的垂直選擇管，其特征在于所述第二半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層的厚度大于所述第一半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層的厚度。
6.如權(quán)利要求1-5所述的垂直選擇管，其特征在于對所述柵堆疊施加電壓，使所述MOS晶體管開啟，同時對所述上、下電極施加電壓，使所述二極管正向?qū)ㄇ遗c所述MOS管形成通路，以實現(xiàn)選擇管開啟；對所述柵堆疊施加電壓，使所述MOS管關(guān)斷，同時對所述上、下電極施加電壓，使所述二極管斷開，以實現(xiàn)選擇管關(guān)斷。
7.一種存儲單元，包括阻變單元或相變單元；選擇管，所述選擇管為如權(quán)利要求1-6任一項所述的垂直選擇管，且所述選擇管與所述阻變單元或相變單元相互串聯(lián)。
8.如權(quán)利要求7述的存儲單元，其特征在于，所述阻變單元或相變單元為形成在所述垂直選擇管結(jié)構(gòu)的上電極或下電極表面的薄膜存儲介質(zhì)。
9.如權(quán)利要求7所述的存儲單元，其特征在于，所述阻變單元的材料包括Nix0y、Nbx0y、 Tix0y、Hfx0y、Mgx0y、Cox0y、Crx0y、Vx0y、aix0y、Alx0y、&x0y、AlxNy，其中，x、y 的范圍為 0-1。
10.如權(quán)利要求7所述的存儲單元，其特征在于，所述相變單元的材料包括Ge-Se-Te的硫系化合物。
11.如權(quán)利要求7所述的存儲單元，其特征在于當(dāng)所述選擇管開啟時，所述阻變單元或相變單元被選中；當(dāng)所述選擇管關(guān)斷時，所述阻變單元或相變單元未被選中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種垂直選擇管，包括形成在上電極和下電極之間的依次垂直堆疊的第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、第三半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層，其中，第一半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層為第一類型摻雜，第二半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層為第二類型摻雜，在第三半導(dǎo)體層的一個側(cè)面形成有柵堆疊，且第三半導(dǎo)體層的摻雜濃度低于所述第二半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層的摻雜濃度，以使第二半導(dǎo)體層、第三半導(dǎo)體層、第四半導(dǎo)體層和柵堆疊形成垂直的MOS晶體管，第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層形成垂直的二極管。通過該選擇管與阻變單元或相變單元串聯(lián)所形成的存儲單元結(jié)構(gòu)，有效改善存儲陣列操作時的相鄰單元之間的串?dāng)_和漏電問題，特別適用于三維堆疊的高密度存儲陣列。
文檔編號H01L27/24GK102361034SQ201110298199
公開日2012年2月22日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者潘立陽, 袁方 申請人:清華大學(xué)