本發(fā)明實(shí)施例涉及一種非易失性存儲(chǔ)器單元。

背景技術(shù)：

非易失性存儲(chǔ)器是甚至在電源被切斷且再次接通之后也能夠檢索信息位的一種類(lèi)型的存儲(chǔ)器。在過(guò)去幾年，相較于傳統(tǒng)硬盤(pán)存儲(chǔ)媒體(例如磁帶及光盤(pán)(cd))，非易失性存儲(chǔ)器備受關(guān)注。在眾多類(lèi)型的非易失性存儲(chǔ)器當(dāng)中，電阻式非易失性存儲(chǔ)器因其快速的存取時(shí)間及高裝置密度而被視為頗具前景的存儲(chǔ)器技術(shù)。然而，電阻性非易失性存儲(chǔ)器的發(fā)展可能在裝置微型化方面面臨挑戰(zhàn)。當(dāng)所要裝置尺寸繼續(xù)縮小時(shí)，需要考慮例如功率、操作時(shí)間及循環(huán)耐久性等的所有性能指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種非易失性存儲(chǔ)器單元，其包括：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，其經(jīng)配置以存儲(chǔ)信息位，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元具有第一端及第二端，所述第一端耦合到位線；選擇單元，其經(jīng)配置以存取所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述選擇單元具有耦合到選擇線的第一端、耦合到所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的所述第二端的第二端及耦合到源極線的第三端；以及切換單元，其經(jīng)配置以執(zhí)行形成操作，所述切換單元具有耦合到形成線的第一端及耦合到所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的所述第二端的第二端。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，根據(jù)以下具體實(shí)施方式最好地理解本揭示的方面。應(yīng)注意，根據(jù)行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)慣例，未必按照比例繪制各種特征。事實(shí)上，為了論述清楚起見(jiàn)，各種特征的尺寸可任意增加或減少。

圖1展示根據(jù)一些實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)器陣列的示意圖。

圖2a展示根據(jù)一些實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)器單元的電路圖。

圖2b展示根據(jù)一些實(shí)施例的用于圖2a的非易失性存儲(chǔ)器單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的框圖。

圖2c展示根據(jù)一些實(shí)施例的圖2a的非易失性存儲(chǔ)器單元的橫截面圖。

圖3a展示根據(jù)一些實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)器單元的電路圖。

圖3b展示根據(jù)一些實(shí)施例的圖3a的非易失性存儲(chǔ)器單元橫截面圖。

圖4展示根據(jù)一些實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)器單元的橫截面圖。

具體實(shí)施方式

以下揭示內(nèi)容提供用于實(shí)施所提供的標(biāo)的物的不同特征的許多不同實(shí)施例或?qū)嵗?。下文描述組件及布置的特定實(shí)例以簡(jiǎn)化本揭示。當(dāng)然，這些僅為實(shí)例且不希望具限制性。舉例來(lái)說(shuō)，在以下描述中第一特征形成于第二特征上方或第一特征形成于第二特征上可包含其中第一及第二特征是直接接觸而形成的實(shí)施例，且也包含其中額外特征可形成于第一特征與第二特征之間使得第一特征與第二特征可不直接接觸的實(shí)施例。另外，本揭示可在各種實(shí)例中重復(fù)元件符號(hào)及/或字母。此重復(fù)是出于簡(jiǎn)單及明確目的，且其本身并不指示所論述的各種實(shí)施例及/或配置之間的關(guān)系。

此外，為易于描述，在本文中可使用例如“下方”、“之下”、“下”、“之上”、“上方”及類(lèi)似物的空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)，以描述如圖式中所說(shuō)明的一個(gè)元件或特征與另一元件或特征的關(guān)系。所述空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)希望涵蓋在使用或操作中的裝置除圖式中所描繪的定向外的不同定向。設(shè)備可以其它方式經(jīng)定向(旋轉(zhuǎn)90度或以其它定向)，且同樣可相應(yīng)地解釋本文中所使用的空間相對(duì)描述符。

電阻式非易失性存儲(chǔ)器或電阻性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(rram)經(jīng)配置為將數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)存儲(chǔ)于嵌入式可變電阻元件中的一種類(lèi)型的非易失性存儲(chǔ)器。然而，隨著裝置幾何大小不斷減小，現(xiàn)有rram技術(shù)遇到制造挑戰(zhàn)。同時(shí)，操作電壓及電流應(yīng)隨著元件及特征的小型化而減小。否則，用于形成rram單元的過(guò)高形成電壓電平可損壞存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。因?yàn)殡妷簯?yīng)力可持續(xù)性在更先進(jìn)的制造工藝(例如28nm工藝或更好的工藝)下變得較弱，所以這種情況對(duì)于較薄的裝置特征來(lái)說(shuō)將變得更為嚴(yán)峻。

鑒于以上提及的問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例中論述改進(jìn)的rram架構(gòu)?？墒褂孟冗M(jìn)的工藝流程來(lái)實(shí)施所提出的rram單元，同時(shí)保持在高形成電壓電平下的可持續(xù)性。裝置占據(jù)面積保持較小且制造工藝與當(dāng)前主流工藝流程兼容。循環(huán)耐久性可有效增加且rram的性能因此得到增強(qiáng)。

圖1展示根據(jù)一些實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)器陣列10的示意圖。參考圖1，非易失性存儲(chǔ)器陣列10包括布置成行及列的多個(gè)非易失性存儲(chǔ)器單元。為了說(shuō)明，僅展示四行及五列。此外，示范性非易失性存儲(chǔ)器單元100展示于存儲(chǔ)器陣列10的左上角。另外，非易失性存儲(chǔ)器陣列10包括多根位線bl0到bl4、多根源極線sl0到sl4、多根選擇(字)線wl0到wl3及多根形成線fl0到fl3。非易失性存儲(chǔ)器單元中的每一者包括電耦合到相應(yīng)位線、源極線、選擇線及形成線的四個(gè)端子。舉例來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)器單元100耦合到位線bl0、字線wl0、源極線sl0及形成線fl0。行或列的數(shù)目?jī)H用于說(shuō)明，且任何其它數(shù)目的行或列也在本發(fā)明實(shí)施例的預(yù)期范圍內(nèi)。

圖2a展示根據(jù)一些實(shí)施例的圖1的非易失性存儲(chǔ)器單元100的電路圖。參考圖2a，非易失性存儲(chǔ)器單元100經(jīng)配置以存儲(chǔ)信息位，其可通過(guò)適當(dāng)操作來(lái)存取。非易失性存儲(chǔ)器單元100包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102、選擇單元104及切換單元106。在下文實(shí)施例中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，基于存儲(chǔ)器單元100來(lái)描述及說(shuō)明非易失性存儲(chǔ)器陣列10的結(jié)構(gòu)或功能。

如圖2a中所展示，非易失性存儲(chǔ)器單元100包含位線端子(bt)、柵極端子(gt)、源極端子(st)及形成端子(ft)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102、選擇單元104及切換單元106接合于共同端ce處。此外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102包括在位線端子(bt)處耦合到位線bl0的第一端。此外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102包括耦合到選擇單元104及切換單元106的第二端。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102經(jīng)配置以存儲(chǔ)可由選擇單元104存取的一或多個(gè)信息位。另外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102包括可變電阻元件以留存信息位。此外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102經(jīng)配置以接收存取電壓電平(例如設(shè)置電壓電平或復(fù)位電壓電平)以在存取操作期間改變電阻。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102甚至在沒(méi)有電源的情況下也能夠保持電阻值，由此結(jié)合選擇單元104及切換單元106構(gòu)成非易失性存儲(chǔ)器裝置。

選擇單元104經(jīng)配置以選擇(激活)來(lái)自存儲(chǔ)器陣列10的所關(guān)注的非易失性存儲(chǔ)器單元。此外，選擇單元104經(jīng)配置以響應(yīng)于寫(xiě)入電壓電平對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102執(zhí)行讀取或?qū)懭氩僮?。在?shí)施例中，選擇單元104經(jīng)配置以將分別對(duì)應(yīng)于邏輯‘0’或‘1’狀態(tài)的二進(jìn)制電壓電平(即，設(shè)置電壓電平及復(fù)位電壓電平)提供到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102。

選擇單元104包括用作柵極端子(gt)的第一端、耦合到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102的第二端的第二端及用作源極端子(st)的第三端。在一些實(shí)施例中，選擇單元104包括晶體管。舉例來(lái)說(shuō)，選擇單元104可由p型或n型金屬氧化物半導(dǎo)體(mos)晶體管來(lái)實(shí)施。在本實(shí)施例中，選擇單元104為n型mos晶體管。此外，晶體管104的柵極端子(gt)耦合到存儲(chǔ)器陣列10的字線wl0。此外，晶體管104的源極端子(st)耦合到對(duì)應(yīng)源極線sl0，且晶體管104的漏極端子在共同端ce處耦合到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102。盡管在本實(shí)施例中使用mos晶體管，但其它合適裝置及電路(例如雙極結(jié)晶體管(bjt))也在本發(fā)明實(shí)施例的預(yù)期范圍內(nèi)。

切換單元106包括在形成端子(ft)處耦合到形成線fl0的第一端。此外，切換單元106包括耦合到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102的第二端的第二端。就功能性來(lái)說(shuō)，切換單元106用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102的形成操作中的傳導(dǎo)元件。在其它情況中，切換元件106可被關(guān)斷以便避免數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102的非所要傳導(dǎo)。在一些實(shí)施例中，正如選擇單元104，切換單元106也可經(jīng)配置以存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102。在任一情況中，切換單元106可不與選擇單元104同時(shí)操作。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)切換單元106經(jīng)配置以形成或存取(例如，寫(xiě)入或讀取)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102時(shí)，選擇單元104的至少一個(gè)端子經(jīng)浮動(dòng)使得選擇單元104被關(guān)斷。相比之下，當(dāng)選擇單元104經(jīng)配置以存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102時(shí)，切換單元106的至少一個(gè)端子經(jīng)浮動(dòng)使得切換單元106被關(guān)斷。

在一些實(shí)施例中，切換單元106包括二極管，例如pn結(jié)二極管、pin二極管及肖特基(schottky)二極管。在一些實(shí)施例中，切換單元104包含mim(金屬-絕緣體-金屬)或sis(硅-絕緣體-硅)裝置。在一些實(shí)施例中，勢(shì)壘金屬層或粘合劑層插入于上述裝置中。

圖2b展示圖2a的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102的框圖。參考圖2b，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102包括第一電極121、第二電極122及位于第一電極121與第二電極122之間的可變電阻層123。在實(shí)施例中，第一電極121用作頂部電極且形成存儲(chǔ)器單元100的四個(gè)端子當(dāng)中的位線端子。另外，第二電極122用作底部電極(其也為共同端ce)且耦合到選擇單元104及切換單元106。

第一電極121包括導(dǎo)電材料，例如pt、au、ag、tialn、srruo、ru、run、ir、co、ti、tin、tan、lanio、al、ptirox、ptrhox、rh、taaln、w及其它合適材料。第二電極122包括導(dǎo)電材料，例如w、wn、tan、tin、pt、cu、tialn、tasin、tasi2、tic、tac及nb-tio2及其它合適材料。在實(shí)施例中，第一電極121可由類(lèi)似于第二電極122中所使用的材料制成，或反之亦然。

可變電阻層123基于從第一電極121及第二電極122接收的電流或電壓而配置?？勺冸娮鑼?23可包括鈣鈦礦材料，例如pcmo(prxca1-xmno3)、ybco(yba2cu3oy)或gbco(gdbacoxoy)。在一些實(shí)施例中，可變電阻層123可包含多晶的niox(x＝1或1.5)、v2o5、zno、nb2o5、tio2、hfo2、hfalo、al2o3、wo3、coo、ta2o5及其它合適材料。

以下表格1展示電阻性非易失性存儲(chǔ)器單元100的示范性操作。所述操作包含形成操作、寫(xiě)入操作及讀取操作。

在形成操作中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102接收形成電壓電平，例如，跨越其兩端施加的電脈沖。此外，形成電壓電平的范圍可從約2.8伏特到7伏特，例如3.5伏特。接著在可變電阻層123內(nèi)建立傳導(dǎo)路徑(也被稱為細(xì)絲路徑)。傳導(dǎo)路徑歸因于可變電阻層123中的缺陷(被稱為氧空位(氧化鍵中的移除的氧位置))而形成。因此，可變電阻層123中的非導(dǎo)電金屬氧化物因形成過(guò)程而呈現(xiàn)電阻性性質(zhì)。在形成過(guò)程之后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102能夠在不同電阻狀態(tài)之前切換。在形成操作中，選擇單元104受保護(hù)而不受相對(duì)較高形成電壓電平的影響。在實(shí)施例中，源極線sl0或字線wl0在形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102時(shí)經(jīng)浮動(dòng)。

形成操作可分成兩種類(lèi)型。在第一種類(lèi)型(形成-1)操作中，如表格1及圖2a中所展示，切換單元106的陽(yáng)極端耦合到形成線fl0且切換單元106的陰極端電耦合到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102。接著，正形成電壓電平v5通過(guò)切換單元106從形成線fl0被施加到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102，同時(shí)位線bl0接地。替代地，如稍后將參考圖3a說(shuō)明及描述，切換單元106可經(jīng)翻轉(zhuǎn)使得陽(yáng)極端耦合到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102。因此，第二種類(lèi)型形成-2操作可被執(zhí)行，其中從位線bl0接收形成電壓電平，同時(shí)形成線fl0接地。兩種類(lèi)型的形成操作針對(duì)大體上相同持續(xù)時(shí)間采用類(lèi)似形成電壓電平且實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)男纬尚阅堋?/p>

上文所說(shuō)明的形成操作被稱為基于行的形成。在那種情況下，在存儲(chǔ)器陣列10的同一行上的每一非易失性存儲(chǔ)器單元(例如存儲(chǔ)器單元100)配置有大體上相同電壓設(shè)置。替代地，當(dāng)行中的單個(gè)存儲(chǔ)器單元形成于形成操作中時(shí)，剩余存儲(chǔ)器單元接收低于所需形成電壓電平的電壓降。因此，將不會(huì)形成的這些存儲(chǔ)器單元不經(jīng)歷形成操作。將形成-1類(lèi)型作為實(shí)例。大于零伏特的抑制電壓電平(例如0.3伏特)被施加到位線bl1到bl4。因此，除了非易失性存儲(chǔ)器單元100，剩余單元不經(jīng)受形成操作。

在寫(xiě)入操作中，可變電阻層123可通過(guò)復(fù)位操作經(jīng)配置為高電阻狀態(tài)(hrs)。此外，可變電阻層123可通過(guò)設(shè)置操作經(jīng)配置為低電阻狀態(tài)(lrs)。在設(shè)置操作中，當(dāng)選擇存儲(chǔ)器單元100時(shí)，響應(yīng)于一組適當(dāng)操作電壓電平接通相應(yīng)選擇單元104。舉例來(lái)說(shuō)，柵極端子可接收字線電壓電平vwl＝v1作為約1.2伏特的選擇電壓電平，位線端子可接收約1.2伏特的位線電壓電平vbl＝v3，且源極端子可接地。相比之下，在復(fù)位操作中，柵極端子接收字線電壓電平v1作為約1.4伏特的選擇電壓電平，源極端子可接收約1.4伏特的源極線電壓電平vsl＝v6，且位線電壓接地。在本實(shí)施例中，跨越數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102的電壓極性針對(duì)雙極可變電阻層123的設(shè)置操作及復(fù)位操作是相反的。替代地，在一些實(shí)施例中，用于存取操作的電壓極性針對(duì)單極可變電阻層123可為相同的。

在讀取操作中，選擇單元104經(jīng)接通以通過(guò)檢測(cè)可變電阻層123的電阻來(lái)確定存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102中的邏輯值。這通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)：供應(yīng)預(yù)定電壓電平，測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元123中的電流且接著比較電流值與預(yù)定值。字線電壓電平可被設(shè)置為電源電壓電平，即，v2＝約1伏特的vdd。位線電壓電平可被確定為v4＝0.2伏特。

在本實(shí)施例中，選擇單元104在形成操作期間浮動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，針對(duì)討論中的存儲(chǔ)器單元100的字線端子wl0及/或源極線端子sl0可為浮動(dòng)的。行進(jìn)通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102的形成電流在形成過(guò)程中僅被引導(dǎo)到切換單元104。應(yīng)理解，正常形成電壓電平將達(dá)到高達(dá)3.5伏特或甚至7伏特，這取決于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的形成方法及組成。在選擇適當(dāng)切換單元的106的情況下，此形成電壓電平不會(huì)引起問(wèn)題。然而，選擇單元104的操作電壓被設(shè)置成低于形成電壓電平。另外，柵極區(qū)中的柵極氧化物的擊穿電壓將隨著柵極氧化物厚度的降低而降低。隨著裝置大小不斷縮小，柵極區(qū)的厚度被做得越來(lái)越薄。因此，形成電壓(例如3.5伏特)可比選擇單元104的操作電壓電平(例如1.2伏特)高得多，且可對(duì)選擇單元104的耐久性產(chǎn)生不利的影響。

現(xiàn)有方法試圖通過(guò)增加?xùn)艠O氧化物厚度來(lái)消除問(wèn)題。然而，制造工藝將不可避免地變得更加復(fù)雜，這損害了裝置微型化的益處。替代方法是使用具有較大占據(jù)面積的i/o晶體管作為替代。但其仍無(wú)法減少存儲(chǔ)器單元大小并維持存取速度。其它現(xiàn)有方法包含修改可變電阻層123及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102的結(jié)構(gòu)以便減低所需形成電壓電平。然而，需要相當(dāng)大的努力來(lái)改進(jìn)可能延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期及增加成本的組合物及制造工藝。鑒于上述情況，未在現(xiàn)有方法或途徑中找到性能與設(shè)計(jì)復(fù)雜性之間的所需平衡。

在本發(fā)明實(shí)施例中，切換單元106及選擇單元104經(jīng)配置以單獨(dú)應(yīng)對(duì)形成操作及存取操作。在形成操作中使用的高電壓或大電流(其在現(xiàn)有方法中將以其它方式被施加到選擇晶體管)被引導(dǎo)到切換單元106。切換單元104經(jīng)配置以在經(jīng)濟(jì)且高效結(jié)構(gòu)中接收高形成電壓電平。另外，在形成操作期間，選擇單元104可經(jīng)配置以與切換單元106電隔離以用于過(guò)電壓保護(hù)。在實(shí)施例中，選擇單元104經(jīng)浮動(dòng)以防止形成電壓電平施加到選擇單元104。在形成操作完成之后，選擇單元104電解耦或浮動(dòng)。僅由選擇單元104進(jìn)行存儲(chǔ)器單元100的存取活動(dòng)。有效地，實(shí)現(xiàn)較好的寫(xiě)入及讀取性能。可在不顯著改變當(dāng)前工藝流程的情況下進(jìn)一步減少幾何大小。因此，可獲得具有適當(dāng)產(chǎn)品成本的高效設(shè)計(jì)周期。

現(xiàn)有電阻性非易失性存儲(chǔ)器架構(gòu)可采用一個(gè)晶體管及一個(gè)電阻器(所謂的1t1r)配置。另外，一個(gè)二極管及一個(gè)電阻器(所謂的1d1r)配置也可用于電阻性非易失性存儲(chǔ)器單元。在本發(fā)明實(shí)施例中，展示一個(gè)晶體管、一個(gè)二極管及一個(gè)電阻器(在本文被命名為1t1d1r)配置類(lèi)型。1t1d1r電阻性非易失性存儲(chǔ)器單元100結(jié)合字線wl0、源極線sl0、位線bl0及形成線bl0操作。因此，可單獨(dú)控制1t1d1r電阻性非易失性存儲(chǔ)器單元100的四個(gè)端子，且因此可單獨(dú)執(zhí)行形成操作及存取操作。

圖2c展示根據(jù)一些實(shí)施例的圖2a中的非易失性存儲(chǔ)器單元100的橫截面圖。參考圖2c，非易失性存儲(chǔ)器單元100包括半導(dǎo)體襯底210、第一層220及第二層230。此外，標(biāo)記對(duì)應(yīng)于參考圖2a描述及說(shuō)明的對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102、選擇單元104及切換單元106的區(qū)域。另外，識(shí)別到參考圖2a描述及說(shuō)明的位線端子bt、柵極端子gt、源極端子st及形成端子ft的連接。非易失性存儲(chǔ)器單元100進(jìn)一步包括第一s/d區(qū)202、第二s/d區(qū)204、柵極區(qū)206、側(cè)壁間隔件208、隔離特征件218、第一摻雜區(qū)212、輕微摻雜區(qū)214、導(dǎo)體222、224、226及228、第一電極層231、第二電極層232及可變電阻層233。

半導(dǎo)體襯底210包含半導(dǎo)體材料，例如硅、硅鍺或類(lèi)似物。半導(dǎo)體襯底210可輕微摻雜有p型雜質(zhì)且用作p型硅襯底(p-襯底)。替代地，半導(dǎo)體襯底210還可摻雜有n型雜質(zhì)以便用作n型硅襯底(n-襯底)。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底210包含元素半導(dǎo)體，例如晶體、多晶或非晶結(jié)構(gòu)的硅或鍺。在其它實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底210可為化合物半導(dǎo)體，例如gaas、gap、sic、inp、inas或insb。在其它實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底210可為合金半導(dǎo)體，例如sige、gaasp、algaas、alinas、gainas、gainp、gainasp或任何其它合適材料。在其它實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底210可為絕緣體上硅(soi)襯底。在其它實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底210具有多層化合物結(jié)構(gòu)。

隔離特征件218形成于半導(dǎo)體襯底210中以分離各種非易失性存儲(chǔ)器單元。另外，隔離特征件218經(jīng)安置以界定且電隔離各種作用區(qū)。此外，每一隔離特征件218具有第一深度h1以實(shí)現(xiàn)所要電隔離。此外，隔離特征件218可包括淺溝槽隔離(sti)或硅的局部氧化(locos)。此外，隔離特征件218可包括氧化硅(siox)、氮化硅(sin)、氮氧化硅(sion)、氣隙、其它合適材料或其組合。

第一s/d區(qū)202及第二s/d區(qū)204形成于半導(dǎo)體襯底210中。第一s/d區(qū)202或第二s/d區(qū)204可為作為pmos、nmos或cmos晶體管的選擇單元104的源極區(qū)或漏極區(qū)，這取決于施加到其的電壓電平。此外，s/d區(qū)202及204包括高濃度的摻雜劑，且形成為具有硼的p型區(qū)或具有磷的n型區(qū)。另外，第一s/d區(qū)202及第二s/d區(qū)204具有與半導(dǎo)體襯底210的摻雜劑類(lèi)型相反的摻雜劑類(lèi)型。在實(shí)施例中，第一s/d區(qū)202為源極區(qū)且如圖2a中所展示那樣通過(guò)源極端子接收源極線電壓電平vsl。另外，第二s/d區(qū)204為電耦合到第二電極層232的漏極區(qū)。

第一s/d區(qū)202及第二s/d區(qū)204可通過(guò)各種工藝(例如熱擴(kuò)散工藝)形成且通過(guò)多個(gè)操作(例如，在半導(dǎo)體襯底210上生長(zhǎng)犧牲氧化物，針對(duì)第一s/d區(qū)202及第二s/d區(qū)204中的位置打開(kāi)圖案，植入雜質(zhì)及退火)來(lái)實(shí)施。

第一摻雜區(qū)212安置于半導(dǎo)體襯底210中且與漏極區(qū)204間隔開(kāi)。另外，第一摻雜區(qū)212由不同于漏極區(qū)204的摻雜劑類(lèi)型的摻雜劑類(lèi)型形成。參考圖2c及2a，切換單元106包括具有摻雜劑類(lèi)型相反的兩個(gè)摻雜區(qū)的二極管。

在本實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)212及第二s/d區(qū)214經(jīng)配置為兩個(gè)摻雜區(qū)，其中p型第一摻雜區(qū)212用作切換單元106的陽(yáng)極而n型第二s/d區(qū)214用作切換單元106的陰極。在另一實(shí)施例中，經(jīng)配置為切換單元106的陰極的第二摻雜區(qū)可在第一摻雜區(qū)212旁單獨(dú)形成。在這種情況下，此第二摻雜區(qū)可電耦合到漏極區(qū)204及第二電極層232。

此外，輕微摻雜區(qū)214安置于p型區(qū)212與n型區(qū)204之間。輕微摻雜區(qū)214具有與第二s/d區(qū)204相同的摻雜劑類(lèi)型(例如n型)且具有較低濃度。另外，輕微摻雜區(qū)214具有從半導(dǎo)體襯底210與第一層220之間的接觸表面測(cè)量的摻雜深度h2。摻雜深度h2做得比第一深度h1小使得輕微摻雜區(qū)214將不超出隔離特征件218的底部。因此，包含第一摻雜區(qū)212、第二s/d區(qū)204及輕微摻雜區(qū)214的切換單元106的結(jié)構(gòu)維持于由隔離特征件218界定的區(qū)內(nèi)。裝置占據(jù)面積將不受切換單元106的添加的顯著影響。

輕微摻雜區(qū)214的另一優(yōu)點(diǎn)是將切換單元106與選擇單元104電隔離。在本實(shí)施例中，n型輕微摻雜區(qū)214安置于p型第一摻雜區(qū)212與p型半導(dǎo)體襯底210之間。因此，歸因于形成于輕微摻雜區(qū)214與相鄰p型區(qū)之間的邊界處的pn結(jié)，形成線端子fl0與源極線sl0電隔離。此布置將確保單獨(dú)及隔離電流流入選擇單元104及切換單元106以分別用于存取操作及形成操作。

第二層220安置于半導(dǎo)體襯底210上方。第二層220可為層間電介質(zhì)(ild)層，其包含電介質(zhì)材料221及導(dǎo)電互連件，例如由周?chē)娊橘|(zhì)221絕緣的導(dǎo)體222、224、226及228。此外，第二層220包括選擇單元104的柵極區(qū)206及側(cè)壁間隔件208。

柵極區(qū)206安置于半導(dǎo)體襯底210上方。柵極區(qū)206可包含安置于半導(dǎo)體襯底210上的柵極電介質(zhì)(未展示)及安置于柵極電介質(zhì)上的柵極電極(未展示)。柵極電介質(zhì)可包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及高k材料。另外，柵極電極包含導(dǎo)電材料，例如鋁、銅、鈦、鉭、鎢、鉬、氮化鉭、tin、wn、tial、tialn、tacn、tac、tasin、金屬合金、其它合適材料及/或其組合。在一些實(shí)施例中，替代地使用重?fù)诫s的非晶硅或多晶硅。

側(cè)壁間隔件208安置于半導(dǎo)體襯底210上且經(jīng)配置以將柵極區(qū)206與下方s/d區(qū)202及204分離。側(cè)壁間隔件208包括電介質(zhì)材料，例如氮化硅或氧化硅。此外，側(cè)壁間隔件208可通過(guò)由蝕刻工藝?yán)m(xù)接的沉積工藝形成。

導(dǎo)體222安置于第一s/d區(qū)202上。類(lèi)似地，導(dǎo)體224安置于柵極區(qū)206上。此外，導(dǎo)體228安置于第一摻雜區(qū)212上。導(dǎo)體222、224及228經(jīng)配置以分別將選擇單元104的源極區(qū)、切換單元106的柵極區(qū)206及陽(yáng)極電耦合到非易失性存儲(chǔ)器陣列10的源極線sl0、字線wl0及形成線fl0。在實(shí)施例中，導(dǎo)體222、224及228為導(dǎo)電通孔或支柱且電耦合到上覆層中的輸入/輸出墊。替代地，導(dǎo)體222、224及228可分別形成為或耦合到源極線接點(diǎn)、字線接點(diǎn)及形成線接點(diǎn)。導(dǎo)體222、224及228可包括導(dǎo)電材料，例如銅、金、鋁及鎢。

導(dǎo)體226安置于第一層220中且經(jīng)配置以將第二s/d區(qū)204電耦合到上覆第二層230中的第二電極層232。導(dǎo)體226包括類(lèi)似于導(dǎo)體222、224及228的導(dǎo)電材料。另外，所有導(dǎo)體222、224、226及228可通過(guò)類(lèi)似工藝(例如電鍍)形成。

第二層230安置于第一層220上。參考圖2c及2b，第二層230包括分別對(duì)應(yīng)于第一電極121、第二電極122及可變電阻層123的第一電極層231、第二電極層232及可變電阻層233。第二電極層232、可變電阻層233及第一電極層231通過(guò)合適工藝(例如沉積)循序地形成于第一層210上方。第二層230可進(jìn)一步包括填充且電絕緣嵌入層的電介質(zhì)材料。接著，第一電極層231電耦合到非易失性存儲(chǔ)器陣列10的位線bl0。在實(shí)施例中，第一電極層231耦合到位線接點(diǎn)。

圖3a展示根據(jù)一些實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)器單元200的電路圖。參考圖3a，非易失性存儲(chǔ)器單元200類(lèi)似于參考圖2a描述及說(shuō)明的非易失性存儲(chǔ)器單元100，除了(舉例來(lái)說(shuō))耦合到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元102及選擇單元104的切換單元306具有相對(duì)于切換單元106的翻轉(zhuǎn)極性。因此，傳導(dǎo)電流從位線bl0流向形成線fl0。

圖3b展示根據(jù)一些實(shí)施例的圖3a中的非易失性存儲(chǔ)器單元200橫截面圖。參考圖3b且也參考圖3a及2c，非易失性存儲(chǔ)器單元200包括用作表示切換單元306的陰極及陽(yáng)極的兩個(gè)摻雜區(qū)的第一摻雜區(qū)312及第二摻雜區(qū)315。此外，第二摻雜區(qū)315具有不同于第一及第二s/d區(qū)202、204及第一摻雜區(qū)215的摻雜劑類(lèi)型的摻雜劑類(lèi)型。舉例來(lái)說(shuō)，第二摻雜區(qū)315為p型區(qū)，而第一s/d區(qū)202、第二s/d區(qū)204及第一摻雜區(qū)312為n型區(qū)。另外，n型輕微摻雜區(qū)214安置于第二摻雜區(qū)315與第一s/d區(qū)202之間，且因此將源極端子st與形成端子ft電隔離。

圖4展示根據(jù)一些實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)器單元300的橫截面圖。對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)器單元300的等效電路圖可類(lèi)似于圖2a或3a，這取決于切換單元的極性。將圖3b的實(shí)施例作為實(shí)例且比較圖4與圖3b，非易失性存儲(chǔ)器單元300包括安置于第一摻雜區(qū)312及第二摻雜區(qū)315上方的第二柵極區(qū)406。與柵極區(qū)206間隔開(kāi)的柵極區(qū)406浮動(dòng)于第一層220中且未電耦合到非易失性存儲(chǔ)器單元300的任何端子，例如位線、字線、源極線或形成線。另外，第二柵極區(qū)406經(jīng)配置為自對(duì)準(zhǔn)柵極且用作針對(duì)形成第一摻雜區(qū)312及第二摻雜區(qū)315的操作的圖案化掩模。

在本發(fā)明實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器單元包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、選擇單元及切換單元。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元經(jīng)配置以存儲(chǔ)信息位且具有第一端及第二端。所述第一端耦合到位線。選擇單元經(jīng)配置以存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，且選擇單元具有耦合到選擇線的第一端、耦合到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的第二端的第二端及耦合到源極線的第三端。切換單元經(jīng)配置以執(zhí)行形成操作且具有耦合到形成線的第一端及耦合到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的第二端的第二端。

在一些實(shí)施例中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括用作非易失性存儲(chǔ)器單元的第一電極、用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的第二端的第二電極及安置于第一電極與第二電極之間的可變電阻層。

在一些實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器單元經(jīng)配置以響應(yīng)于跨越位線及形成線的形成電壓電平而執(zhí)行形成操作。

在實(shí)施例中，選擇單元經(jīng)配置以在形成操作期間關(guān)斷。舉例來(lái)說(shuō)，分別用作非易失性存儲(chǔ)器單元的第二端子及第三端子的選擇單元的第一端及第三端在形成操作期間浮動(dòng)。

在另一實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器單元經(jīng)配置以響應(yīng)于來(lái)自選擇線的選擇電壓電平及跨越位線及源極線的存取電壓電平而執(zhí)行存取操作。

在另一實(shí)施例中，用作非易失性存儲(chǔ)器單元的第四端的切換單元的第一端是浮動(dòng)的。

在一些實(shí)施例中，用于存取操作的選擇電壓電平及存取電壓電平低于用于形成操作的形成電壓電平。

在本發(fā)明實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器裝置包括具有第一摻雜劑類(lèi)型的半導(dǎo)體襯底、源極區(qū)及漏極區(qū)。源極區(qū)及漏極區(qū)兩者皆具有形成于半導(dǎo)體襯底中的第二摻雜劑類(lèi)型。非易失性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)還包含：在源極區(qū)及漏極區(qū)上方的柵極區(qū)；電耦合到漏極區(qū)的可變電阻層；第一摻雜區(qū)；及電耦合到可變電阻層的第二摻雜區(qū)。非易失性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括安置于第一摻雜區(qū)與源極區(qū)之間的輕微摻雜區(qū)，其中輕微摻雜區(qū)具有第二摻雜劑類(lèi)型。

在實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器裝置進(jìn)一步包括具有比輕微摻雜區(qū)的第二深度更深的第一深度的隔離區(qū)。

在另一實(shí)施例中，第二摻雜區(qū)電耦合到漏極區(qū)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。在另一實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)具有第一摻雜劑類(lèi)型，第二摻雜區(qū)具有第二摻雜劑類(lèi)型，且第一摻雜區(qū)在存取操作中浮動(dòng)。在實(shí)施例中，第一摻雜劑類(lèi)型為p型。

在一些實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器裝置進(jìn)一步包括與柵極區(qū)間隔開(kāi)且在第一摻雜區(qū)及第二摻雜區(qū)上方浮動(dòng)的第二柵極區(qū)。

在一些實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器裝置進(jìn)一步包括可變電阻層上的第一電極層，且非易失性存儲(chǔ)器裝置經(jīng)配置以響應(yīng)于跨第一電極層及第一摻雜區(qū)的形成電壓而執(zhí)行形成操作。

在本發(fā)明實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器陣列包括多根形成線、多根源極線、多根位線、多根字線；及多個(gè)非易失性存儲(chǔ)器單元。非易失性存儲(chǔ)器單元中的每一者包括電耦合到多根形成線中的相應(yīng)一者的切換單元、電耦合到多根字線中的相應(yīng)一者及多根源極線中的一者的選擇單元，及電耦合到多根位線中的相應(yīng)一者的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

在一些實(shí)施例中，選擇單元進(jìn)一步包括電耦合到多根選擇線中的一者的柵極端子、及電耦合到多根源極線中的一者的源極端子。

在實(shí)施例中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括通過(guò)跨越多根形成線中的一者及多根位線中的一者的形成電壓電平而形成的可變電阻層。

在一些實(shí)施例中，多個(gè)非易失性存儲(chǔ)器單元中的每一者經(jīng)配置以響應(yīng)于在相應(yīng)位線、字線及源極線處接收的電壓電平來(lái)執(zhí)行寫(xiě)入及讀取操作，且相應(yīng)形成線是浮動(dòng)的。

在一些實(shí)施例中，切換單元包括肖特基二極管、金屬-絕緣體-金屬裝置或硅-絕緣體-硅裝置。

前述內(nèi)容概述若干實(shí)施例的特征，使得所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可更好地理解本揭示的方面。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，其可容易地使用本揭示作為設(shè)計(jì)或修改用于執(zhí)行相同目的及/或?qū)崿F(xiàn)本文中所介紹的實(shí)施例的相同優(yōu)點(diǎn)的其它過(guò)程及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員也應(yīng)意識(shí)到，此類(lèi)等效構(gòu)造并不脫離本揭示的精神及范圍，且其可在不脫離本揭示的精神及范圍的情況下，在本文中做出各種改變、替代，及更改。