CN101075629A - 采用缺氧金属氧化物层的非易失性存储装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用缺氧金属氧化物层的非易失性存储装置和一种所述非易失性存储装置的制造方法，其特征在于：所述非易失性存储装置具有开关装置和连接到开关装置的存储节点，其中存储节点包括下电极、在下电极上形成的缺氧金属氧化物层、在缺氧金属氧化物层上形成的数据存储层、和在数据存储层上形成的上电极。

Description

采用缺氧金属氧化物层的非易失性存储装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种采用缺氧金属氧化物的非易失性存储装置及其制造方法，更具体地，涉及一种具有存储节点的非易失性存储装置及其制造方法，在存储节点中在下电极和数据层之间形成了缺氧金属氧化物层。
背景技术
传统的动态随机存取存储器(DRAM)由1T/1C(一个晶体管和一个电容器)的单位单元结构构成。随着装置尺寸的减小，制造电容器的工艺难度增加，因而难于高产率地制造DRAM。因此，非常需要可以替代传统的DRAM并且具有非易失性的存储器。已经进行了一些尝试以实现和开发高集成度和低功耗的DRAM、非易失性的闪存、高运行速度的静态随机存储器(SRAM)作为下一代存储器。作为下一代存储器而受到人们关注的装置的包括相变RAM(PRAM)、纳米浮置栅极存储器(NFGM)、电阻RAM(ReRAM)、聚合物RAM(PoRAM)、磁RAM(MRAM)和分子电子装置。
ReRAM装置具有采用金属氧化物的金属绝缘体金属(MIM)的结构，并且示出存储特征，即当施加合适的电信号时，MIM结构的状态从高阻抗的非导电状态即关状态改变为低阻抗的导电状态即开状态。对于首字母缩写MIM，M意指上和下金属电极，并且I意指由绝缘材料形成的数据存储层。
当在传统MIM存储器单元结构的存储节点中重复开关时，施加到所述存储节点上的置位电压和复位电压分布的偏差大，并且根据开状态和关状态的存储节点的电阻值Ron和Roff的分布是不均匀的。
发明内容
本发明公开了一种非易失性存储装置，所述存储装置具有改良了结构，从而在存储节点中具有稳定的存储开关特性。
本发明还公开了一种具有存储节点的非易失性存储装置的制造方法。
根据本发明的一个方面，公开了一种非易失性存储装置，该存储装置具有开关装置和连接到开关装置的存储节点，其中该存储节点包括：下电极；在下电极上形成的失氧金属氧化物；在失氧性金属氧化物层上形成的数据存储节点；和在数据存储层上形成的上电极。开关装置可包括晶体管或二极管。
失氧金属氧化层可以是具有氧空位并且具有比导电金属氧化物大而比数据存储层小的电阻的金属氧化物层。
缺氧金属氧化物层可以由从包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的组中所选择的材料形成。
缺氧金属氧化物层可以是ZnO层。
缺氧金属氧化物层可以具有范围在1至50nm的厚度。
上电极和下电极可以由从包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu、和TiN的组中所选择的材料形成。
下电极可以由Ru形成。
数据存储层可以由从包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的组中所选择的材料形成。
根据本发明的另一方面，公开了一种制造非易失性存储装置的方法，包括：制备开关装置；形成连接到开关装置的下电极；在下电极上形成缺氧金属氧化物层；在缺氧金属氧化物层上形成数据存储层；并且在数据存储层上形成上电极。
开关装置可以包括晶体管或二极管。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的典型实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更为显见，其中：
图1是示出根据本发明实施例的非易失性存储装置的截面图；
图2是示出根据本发明实施例的非易失性存储装置的存储节点结构的截面图。
图3A至3D是示出根据本发明实施例的存储节点的制造方法的截面图；
图4是示出根据本发明实施例的非易失性存储装置的开关特性的I-V曲线；
图5是示出传统的非易失性存储装置开关特性的I-V曲线；
图6是示出根据本发明实施例的非易失性存储装置置位电压值和复位电压值分布的图；
图7是示出传统非易失性存储装置置位电压值和复位电压值分布的图；
图8是示出根据在本发明实施例的非易失性存储装置的开关期间根据开/关状态的存储节点的电阻值的分布的图；
图9是示出在传统的非易失性存储装置的开关期间根据开/关状态的存储节点的电阻值的分布的图。
具体实施方式
现将参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的典型实施例。
图1是示出根据本发明实施例的非易失性存储装置的截面图。
参考图1，所述非易失性存储装置包括晶体管115和连接到晶体管115的存储节点19。晶体管115包括源极107S、漏极107D、和栅极105。存储节点19包括上电极18、下电极12、插入在上电极18和下电极12之间的缺氧金属氧化物层14和数据存储层16，绝缘层109布置在存储节点19和晶体管115之间。存储节点19通过导电接触栓113连接到晶体管115，并且板电极111布置在存储节点19的上电极18上。
图2是示出根据本发明实施例的非易失性存储装置结构的存储节点的截面图。参考图2，包含在根据本发明实施例的非易失性存储装置内的存储节点包括下电极22、在下电极22上形成的缺氧金属氧化物层24、在缺氧金属氧化物层24上形成的数据存储层26和在数据存储层26上形成的上电极28。
上电极28和下电极22可以由从包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的组中所选择的一种或多种材料形成，优选上电极28由Pt形成并且下电极22由Ru形成。上电极28和下电极22可以使用溅射法、电子束沉积法、或化学气相沉积(CVD)法形成为从10nm至200nm范围的厚度。
形成于下电极22上的缺氧金属氧化物层24表示包括氧空位的金属氧化物层。在金属氧化物层中包含的氧空位在施加电压时吸收氧，并且集中在数据存储层26和缺氧金属氧化物层24之间的界面上的氧通过影响金属丝的断开而增加了存储器的开关特性。缺氧金属氧化物层是具有氧空位并且具有比导电金属氧化物(IrO2、RuO2、SrRuO3、MoO2、OsO2、ReO2、RhO2、WO2)大而比数据存储层(NiO)大的电阻的金属氧化物层。
缺氧金属氧化物层24可以使用金属氧化物形成为从1nm至50nm范围的厚度，该金属氧化物具体地是ZnO、ITO、IZO、ZrO、或RuO2。当所述缺氧金属氧化物层24的厚度超过50nm时，未展示出存储器的开关特性。
缺氧金属氧化物层24可以使用溅射法、脉冲激光沉积法、CVD法、有机金属气相沉积法、溶胶-凝胶法、或喷射热分解法形成。
缺氧金属氧化物层可以由ZnO形成。
根据工艺条件和形成方法，ZnO可以形成为绝缘体、半导体或导体，并且当ZnO膜形成时，导电度和氧空位根据氧分压而变化。更具体地，已知在低氧分压下形成ZnO薄膜时，形成许多氧空位。如上所述，由于氧空位的形成可以与ZnO的导电特性一起控制，所以ZnO可以是理想的材料。
为了使用ZnO形成缺氧金属氧化物层24，缺氧金属氧化层24可以使用ZnO靶作为原材料，在50％或更小的氧分压下通过在50℃或更低的温度下使用反应溅射法额外注入氧而形成。
数据存储层26可以由具有可变电阻特性的过渡金属氧化物形成。更具体地，数据存储层26可以由从包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的组中所选择的材料形成。
图3A至3D是示出根据本发明实施例的包括在非易失性存储装置内的存储节点的制造方法的截面图。在非易失性存储装置中，在本领域中包括源极、漏极、沟道和栅极的半导体开关装置的制造方法是众所周知的，因而将省略其详细描述。
参考图3A，下电极32形成于硅基底30上。下电极32可以由从包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的组中所选择的至少一种材料形成，优选Ru。下电极32可以使用溅射法、电子束沉积法或CVD法形成为从10至200nm范围的厚度。
参考图3B，在下电极32上形成缺氧金属氧化物层34。缺氧金属氧化物层34可以使用诸如ZnO、ITO、IZO、ZrO、RuO2等金属氧化物形成为从1至50nm范围的厚度。
缺氧金属氧化物层34可以使用溅射法、脉冲激光法、CVD法、有机金属气相沉积法、溶胶-凝胶法、或喷射热分解法形成。
参考图3C和D，数据存储层36在缺氧金属氧化物层34上形成，上电极38在数据存储层36上形成。
数据存储层36可以由从包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO和CoO的组中所选择的材料形成。
上电极38可以由与下电极32相同的材料形成，并且优选Pt。
图4是示出根据本发明实施例的包含具有Pt/NiO/ZnO/Ru结构的存储节点的非易失性存储装置的开关特性的I-V曲线。图5是示出其中包括未包含缺氧金属氧化物层34的具有Pt/NiO/Pt结构的存储节点的传统非易失性存储装置的开关特性的I-V曲线。
参照图4和5，与传统Pt/NiO/Pt结构相比，具有Pt/NiO/ZnO/Ru结构的存储节点实现了施加到所述存储节点上的置位电压值Vset和复位电压值Vreset偏差均匀和稳定的分布。这里，Vset是置位转变的电压，并且Vreset是复位转变时在最大电流峰值时的电压。
图6是示出根据本发明实施例的施加到具有Pt/NiO/ZnO/Ru结构的存储节点上的置位电压值和复位电压值的分布的图。图7是示出施加到具有Pt/NiO/Pt传统结构的存储节点上的置位电压值和复位电压值的分布的图。
参考图6和7，显见根据本发明实施例的具有Pt/NiO/ZnO/Ru结构的存储节点与具有Pt/NiO/Pt结构的传统存储节点相比，减小了对于所述开关循环的Vset和Vreset的标准差。
图8是示出当存储节点开关时，根据本发明实施例的具有Pt/NiO/ZnO/Ru结构的存储节点根据开/关状态的电阻值的分布。图9是示出当传统存储节点开关时，具有Pt/NiO/Pt结构的传统存储节点根据开/关状态的电阻值的分布。
参考图8和9，在根据本发明实施例的具有Pt/NiO/ZnO/Ru结构的存储节点中，与具有Pt/NiO/Pt结构的传统存储节点相比，减小了对于所述开关循环的Ron和Roff的标准差。
从而通过减小Ron和Roff的标准差改善了根据本发明的存储节点结构的存储特性。
如上所述，根据本发明，通过在存储节点中采用缺氧金属氧化物可以获得稳定的存储开关特性。更具体地，当重复开关时，可以减小施加到存储节点的置位电压和复位电压的标准差和根据开和关状态的电阻的标准差。
尽管参考本发明的典型实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解在不偏离在权利要求中所界定的本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种形式和细节上的变更。

Claims (21)

1.一种非易失性存储装置，具有开关装置和连接到所述开关装置的存储节点，其中所述存储节点包括：
下电极；
在所述下电极上形成的缺氧金属氧化物层；
在所述缺氧金属氧化物层上形成的数据存储层；和
在所述数据存储层上形成的上电极。
2.根据权利要求1的非易失性存储装置，其中所述缺氧金属氧化物层是具有氧空位并且具有比导电金属氧化物大而比所述数据存储层小的电阻的金属氧化物层。
3.根据权利要求1的非易失性存储装置，其中所述缺氧金属氧化物层由从包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的组中所选择的材料形成。
4.根据权利要求2的非易失性存储装置，其中所述缺氧金属氧化物层由从包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的组中所选择的材料形成。
5.根据权利要求2的非易失性存储装置，其中所述导电金属氧化物层由从包括IrO2、RuO2、SrRuO3、MoO2、OsO2、ReO2、RhO2和WO2的组中所选择的材料形成。
6.根据权利要求2的非易失性存储装置，其中所述缺氧金属氧化物层是ZnO层。
7.根据权利要求6的非易失性存储装置，其中所述缺氧金属氧化物层具有在1至50nm范围的厚度。
8.根据权利要求1的非易失性存储装置，其中所述上电极和下电极由从包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的组中选择的材料形成。
9.根据权利要求1的非易失性存储装置，其中所述下电极由Ru形成。
10.根据权利要求1的非易失性存储装置，其中所述数据存储层由从包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的组中选择的材料形成。
11.根据权利要求2的非易失性存储装置，其中所述数据存储层由从包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的组中选择的材料形成。
12.一种制造非易失性存储装置的方法，包括：
制备开关装置；
形成连接所述开关装置的下电极；
在所述下电极上形成缺氧金属氧化物层；
在所述缺氧金属氧化物层上形成数据存储层；
在所述数据存储层上形成上电极。
13.根据权利要求12的方法，其中所述缺氧金属氧化物层是具有氧空位的金属氧化物层。
14.根据权利要求12的方法，其中所述缺氧金属氧化物层由从包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的组中所选择的材料形成。
15.根据权利要求14的方法，其中所述缺氧金属氧化物层具有1至50nm范围的厚度。
16.根据权利要求14的方法，其中所述缺氧金属氧化物层通过使用溅射法、脉冲激光沉积法、CVD法、有机金属气相沉积法、溶胶-凝胶法或喷射热分解法形成。
17.根据权利要求14的方法，其中所述缺氧金属氧化物层是ZnO层。
18.根据权利要求12的方法，其中所述ZnO层使用ZnO靶作为原材料在50％或更低的氧分压下通过在50℃或更低温度下使用反应溅射法额外注入氧而形成。
19.根据权利要求12的方法，其中所述上电极和下电极由从包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的组中选择的材料使用喷溅法、电子束沉积法或CVD法形成。
20.根据权利要求19的方法，其中所述下电极由Ru形成。
21.根据权利要求12的方法，其中所述数据存储层由从包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3和ZnO的组中选择的材料形成。
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