非挥发性记忆体单元及形成于基板上之单石三维记忆体阵列;NONVOLATILE MEMORY CELL AND MONOLITHIC THREE DIMENSIONAL MEMORY ARRAY FORMED ABOVE A SUBSTRATE

摘要

本发明系关于一种非挥发性记忆体单元，其包含串连之一可切换电阻器记忆体元件及一薄膜三端切换装置，该薄膜三端切换装置宜为一MOSFET。该可切换电阻器记忆体元件具有至少有两个稳定电阻状态之特性，例如一高电阻状态及一低电阻状态。其在该等两个状态之间切换，且藉由提供通过该三端切换装置之适当电流而感应其电阻状态(且因此该单元之资料状态)。本发明之较佳实施例包括一高度致密之单石三维记忆体阵列，其中此类记忆体单元之多个记忆体级系形成于一单个基板(诸如一单晶矽晶圆)之上。

主权项

1.一种非挥发性记忆体单元，其包含：一可切换电阻器记忆体元件，包含：一离子储集层与包含一导电材料的一资料线直接接触；一离子导体层在该离子储集层之上，及一上电极在该离子导体层之上；及一三端切换装置，包含：一通道层；一源极区相邻于该通道层；及一汲极区相邻于该通道层，但在该源极区的对面，该可切换电阻器记忆体元件的上电极也作为该三端切换装置的该源极或该汲极区，使得该可切换电阻器记忆体元件及该三端切换装置串联，该上电极包含由第一及第二部构成的一上表面，该上表面的该第一部与覆盖的通道层直接物理接触，且该上表面的该第二部与一覆盖的介电层或一掺杂的半导体直接物理接触。 ;2.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中当该三端切换装置处于开启状态时，电荷载子流经在该源极与汲极之间形成于该通道层中之一反转区。 ;3.如请求项2之非挥发性记忆体单元，其中该三端切换装置系一MOSFET。 ;4.如请求项3之非挥发性记忆体单元，其中该反转区中之多数载子系电子。 ;5.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中一扩散障壁层配置于该离子储集层及该资料线之间。 ;6.如请求项4之非挥发性记忆体单元，其中该源极区或该汲极区包含Ti、Nb、Ag、Hf、Ta、Mn、W或TiN。 ;7.如请求项3之非挥发性记忆体单元，其中该反转区中之多数载子系电洞。 ;8.如请求项7之非挥发性记忆体单元，其中该源极区或该汲极区包含一矽化物。 ;9.如请求项8之非挥发性记忆体单元，其中该矽化物系MoSi2、WSi2或PtSi。 ;10.如请求项8之非挥发性记忆体单元，其中该源极区或该汲极区包含Au、Ni或Pt。 ;11.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中当该三端切换装置处于开启状态时，电荷载子流经在该源极与汲极区之间的该通道层，其中该源极区与该汲极区皆实质上由与该通道层形成一实质欧姆接触之一材料组成。 ;12.如请求项11之非挥发性记忆体单元，其中当该三端切换装置处于关闭状态时，该通道层处于空乏模式。 ;13.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中该通道层包含矽、锗、矽之合金、锗之合金、或矽及锗之合金。 ;14.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中该通道层包含沈积半导体材料。 ;15.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一层二元金属氧化物或氮化物。 ;16.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一钙钛矿。 ;17.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一碳聚合物膜。 ;18.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含掺杂有选自由下列各物组成之群之元素的非晶矽：V、Co、Ni、Pd、Fe及Mn。 ;19.如请求项1之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一固体电解质材料。 ;20.如请求项19之非挥发性记忆体单元，其中该固体电解质材料包含硫族化物玻璃。 ;21.一种形成于一基板上之单石三维记忆体阵列，其包含：一第一记忆体级包含：复数个非挥发性记忆体单元，非挥发记忆体单元各自包含：一可切换电阻器记忆体元件，其包含一离子储集层与包含一导电材料的一资料线直接接触；及一三端切换装置包含：一通道层；闸极电极在该通道层之上；一源极区相邻于该通道层；及一汲极层相邻于该通道层，但在该源极区的对面，该可切换电阻器记忆体元件的一部也作为该三端切换装置的该源极或该汲极区，使得该可切换电阻器记忆体元件及该三端切换装置串联，该上电极包含由第一及第二部构成的一上表面，该上表面的该第一部与覆盖的通道层直接物理接触，且该上表面的该第二部与一覆盖的介电层或一掺杂的半导体直接物理接触；及一第二记忆体级形成于该第一记忆体级之上。 ;22.如请求项21之单石三维记忆体系列，其中当一临限电压施加于该闸电极时，电荷载子流经在该源极与汲极区之间的该通道层中之一反转区。 ;23.如请求项22之单石三维记忆体阵列，其中该通道层包含矽、锗、矽之合金、锗之合金、或矽及锗之合金。 ;24.如请求项23之单石三维记忆体阵列，其中该该源极区或该汲极区包含Ti、Nb、Ag、Hf、Ta、Mn、W，或TiN、CoSi、PtSi、TaSiN，或TiSiN或ErSi1.7。 ;25.如请求项21之单石三维记忆体阵列，其中该通道层包含沈积半导体材料。 ;26.如请求项21之单石三维记忆体阵列，其中该上电极包含一层二元金属氧化物或氮化物。 ;27.如请求项21之单石三维记忆体阵列，其中该上电极包含一钙钛矿。 ;28.如请求项21之单石三维记忆体阵列，其中该上电极包含一碳聚合物膜。 ;29.如请求项21之单石三维记忆体阵列，其中该上电极包含掺杂有选自由下列各物组成之群之元素的非晶矽：V、Co、Ni、Pd、Fe及Mn。 ;30.如请求项21之单石三维记忆体阵列，其中该上电极包含一固体电解质材料。 ;31.如请求项21之单石三维记忆体阵列，其中一扩散障壁层配置于该离子储集层及该资料线之间。 ;32.一种非挥发性记忆体单元，其包含：一可切换电阻器记忆体元件；及一包含一通道层及一闸电极之薄膜电晶体，其中当一临限电压施加于该闸电极时，该通道层中形成一反转区，且电流在一与该通道层接触之第一区域与一与该通道层接触之第二区域之间流经该反转区，其中该第一区域或该第二区域不包含半导体材料。 ;33.如请求项32之非挥发性记忆体单元，其中该通道层包含矽、锗、矽之合金、锗之合金、或矽及锗之合金。 ;34.如请求项32之非挥发性记忆体单元，其中该第一区域或该第二区域包含Al、Ti、Nb、Ag、Hf、Ta、Cu、Mn、W，或TiN、CoSi、PtSi、TaSiN、MoSiN、HfSiN，或TiSiN或ErSi1.7。 ;35.如请求项32之非挥发性记忆体单元，其中该通道层包含沈积半导体材料。 ;36.如请求项32之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一层二元金属氧化物或氮化物。 ;37.如请求项32之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一钙钛矿。 ;38.如请求项32之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一碳聚合物膜。 ;39.如请求项32之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含掺杂有选自由下列各物组成之群之元素的非晶矽：V、Co、Ni、Pd、Fe及Mn。 ;40.如请求项32之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一固体电解质材料。 ;41.如请求项40之非挥发性记忆体单元，其中该固体电解质材料包含一硫族化物玻璃。 ;42.一种非挥发性记忆体单元，其包含：一可切换电阻器记忆体元件；及一具有一通道层、一源极区及一汲极区之三端切换装置，该三端切换装置与该可切换电阻器记忆体元件串联配置，其中当该电晶体处于开启状态时，电荷载子自该源极区通过该通道层行至该汲极区，其中该非挥发性记忆体单元包含仅具有一传导类型之掺杂半导体材料。 ;43.如请求项42之非挥发性记忆体单元，其中该薄膜三端切换装置系一增强模式MOSFET。 ;44.如请求项43之非挥发性记忆体单元，其中该反转区中之多数载子系电子。 ;45.如请求项44之非挥发性记忆体单元，其中该源极区或该汲极区包含一矽化物。 ;46.如请求项45之非挥发性记忆体单元，其中该矽化物系ErSi1.7、TaSiN、MoSiN、HfSiN或TiSiN。 ;47.如请求项44之非挥发性记忆体单元，其中该第一区域包含与该通道层接触之Al、Ti、Nb、Ag、Hf、Ta、Cu、Mn、W或TiN。 ;48.如请求项43之非挥发性记忆体单元，其中该反转区中之多数载子系电洞。 ;49.如请求项48之非挥发性记忆体单元，其中该第一区域包含一矽化物。 ;50.如请求项49之非挥发性记忆体单元，其中该矽化物系MoSi2、WSi2或PtSi。 ;51.如请求项48之非挥发性记忆体单元，其中该第一区域包含与该通道层接触之Au、Ni或Pt。 ;52.如请求项42之非挥发性记忆体单元，其中该源极区及该汲极区皆基本上由一与该通道层接触并与该通道层形成一实质欧姆接触之材料组成。 ;53.如请求项52之非挥发性记忆体单元，其中当该薄膜三端切换装置处于关闭状态时，该通道层处于空乏模式。 ;54.如请求项42之非挥发性记忆体单元，其中该通道层包含矽、锗、矽之合金、锗之合金、或矽及锗之合金。 ;55.如请求项54之非挥发性记忆体单元，其中该通道层包含沈积半导体材料。 ;56.如请求项42之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一层二元金属氧化物或氮化物。 ;57.如请求项42之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一钙钛矿。 ;58.如请求项42之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一碳聚合物膜。 ;59.如请求项42之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含掺杂有选自由下列各物组成之群之元素的非晶矽：V、Co、Ni、Pd、Fe及Mn。 ;60.如请求项42之非挥发性记忆体单元，其中该上电极包含一固体电解质材料。 ;61.如请求项60之非挥发性记忆体单元，其中该固体电解质材料包含一硫族化物玻璃。 ;62.一种非挥发性记忆体单元，其包含：一可切换电阻器记忆体元件；及一包含一通道层之薄膜电晶体，该薄膜电晶体与该可切换电阻器记忆体元件串联配置，其中该源极区与该通道层之间之一源极接触或该汲极区与该通道层之间之一汲极接触系一肖特基接触。 ;63.如请求项62之非挥发性记忆体单元，其中当该电晶体处于开启状态时，电子在一与该通道层接触之源极区及一与该通道层接触之汲极区之间，流经一形成于该通道层中之反转区。 ;64.如请求项63之非挥发性记忆体单元，其中该薄膜电晶体系一增强模式MOSFET。 ;65.如请求项64之非挥发性记忆体单元，其中该反转区中之多数载子系电子。 ;66.如请求项65之非挥发性记忆体单元，其中该源极区或该汲极区包含一矽化物。 ;67.如请求项66之非挥发性记忆体单元，其中该矽化物系ErSi1.7、TaSiN、MoSiN、HfSiN或TiSiN。 ;68.如请求项66之非挥发性记忆体单元，其中该第一区域包含与该通道层接触之Al、Ti、Nb、Ag、Hf、Ta、Cu、Mn、W或TiN。 ;69.如请求项64之非挥发性记忆体单元，其中该反转区中之多数载子系电洞。 ;70.如请求项69之非挥发性记忆体单元，其中该第一区域包含一矽化物。 ;71.如请求项70之非挥发性记忆体单元，其中该矽化物系MoSi2、WSi2或PtSi。 ;72.如请求项69之非挥发性记忆体单元，其中该第一区域包含与该通道层接触之Au、Ni或Pt。 ;73.如请求项62之非挥发性记忆体单元，其中当该电晶体处于开启状态时，电子在一与该通道层接触之源极区及一与该通道层接触之汲极区之间，流经该通道层中之一多数载子区域。;图1a及图1b系描述习知MOSFET装置之结构及功能之横截面图。;图2a-2h系展示本发明一较佳实施例之形成阶段之横截面图。;图3a-3j系展示本发明另一较佳实施例之形成阶段之横截面图。;图4系展示本发明又一较佳实施例之横截面图。;图5a-5k系展示本发明另一高密度实施例之形成阶段之横截面图。