CN101106171B - 包括可变电阻材料的非易失存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包括可变电阻材料的非易失存储器，其包括：下电极；中间层，由选自HfO、ZnO、InZnO和ITO中的一种材料形成；可变电阻材料层，形成在中间层上；以及上电极，形成在可变电阻材料层上。可以容易地提供具有根据尺寸的多级双极性开关性质的存储器。

Description

包括可变电阻材料的非易失存储器 
技术领域
本发明涉及一种非易失存储器，更特别地，本发明涉及通过在上电极和下电极之间引入氧化铟锡(ITO)层和Ni氧化物层而可以在多级情形下工作以具有稳定的双极性开关性质的非易失存储器。 
背景技术
希望半导体存储器件具有高速操作性能以及单位面积具有大量的存储单元，即具有高的集成度，并且可以低功耗地工作。因此，已经对半导体存储器件进行了很多的研究。 
传统的半导体存储器件包括许多在电路中彼此连接的存储单元。在作为代表性的半导体存储器的动态随机存取存储器(DRAM)的情形中，一个单位存储单元包括一个开关和一个电容器。DRAM具有高集成度和快工作速度的优点，但是具有存储的所有数据在断电之后丢失的缺点。 
闪存是存储的数据即使在断电之后也可得到保留的非易失存储器的代表。闪存具有非易失性，与易失性存储器不同。但是，闪存具有低集成度和慢操作速度的缺点。 
现在已经对非易失存储器进行了许多的研究，这些非易失存储器包括磁随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)和电阻随机存取存储器(RRAM)。 
上述非易失存储器中的RRAM使用这样一种性质(可变电阻性)，其中电阻主要根据过渡金属氧化物(TMO)的电压而变化。 
图1图示了使用可变电阻材料的传统的RRAM器件。通常使用钙钛矿基材料或过渡金属氧化物(TMO)作为可变电阻材料。具体而言，使用钙钛矿基材料的存储器显示出了双极性开关性质。 
参考图1，RRAM器件包括顺序形成在下电极10上的可变电阻材料层11和上电极12。这里，下电极10和上电极12由通常的导电材料形成，主要是金属。可变电阻材料层11由具有可变电阻性的钙钛矿基材料(SrTiO3)或PCMO(Pr0.3Ca0.7MnO3)形成。 
这里，为了沉积用于形成可变电阻材料层11的钙钛矿基材料需要高温工艺和外延甚至。特别是难于调整形成三元氧化物的成分。因此，制造成本增加，工艺也不再简单，导致产率下降。 
发明内容
本发明提供了具有改进的电极结构的可变电阻非易失存储器，其制造简单且具有好的集成度以及稳定的双极性开关性质。 
根据本发明的一个方面，提供了一种包括可变电阻材料的非易失存储器，其包括：下电极；中间层，由选自HfO、ZnO、InZnO和ITO中的一种材料形成；可变电阻材料层，形成在中间层上；以及上电极，形成在可变电阻材料层上。 
可变电阻材料层可以包括Ni氧化物。 
下电极可以由选自Pt、Ru、Ir、Ni、Co、Cr、W、Cu或其合金中的一种材料形成。 
上电极可以由选自Pt、Ru、Ir、Ni、Co、Cr、W、Cu或其合金中的一种材料形成。 
中间层可以形成为1-50nm的厚度。 
可变电阻材料层可以形成为1-100nm的厚度。 
附图说明
参考附图，通过说明本发明的示范性实施例，本发明的上述以及其它方面将变得更加清楚，在附图中： 
图1图示了包括可变电阻材料的传统的非易失存储器。 
图2图示了根据本发明实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器。 
图3是示出如图2所示的包括可变电阻材料的非易失存储器的双极性开关性质的图。 
图4是根据如图2所示的包括可变电阻材料的非易失存储器的尺寸的双极性开关性质的图。 
具体实施方式
下面将参考示出本发明示范性实施例的附图对本发明进行更加全面的说明。在附图中，层和区域的厚度和宽度为了清楚器件而被放大了。 
图2图示了根据本发明实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器。参考图2，该包括可变电阻材料的非易失存储器包括：下电极21；中间层22，使用选自HfO、ZnO、InZnO和ITO中的一种材料形成在下电极21上；可变电阻材料层23，形成在中间层22上；上电极24，形成在可变电阻材料层23上。 
在本发明中，下电极21和上电极24是使用用于传统半导体存储器的电极的导电材料形成的。具体而言，下电极21和上电极24可以由选自Pt、Ru、Ir、Ni、Co、Cr、W、Cu或它们的合金中的一种材料形成。 
中间层22可以由其中容易进行电荷陷入的材料形成。具体而言，中间层22可以由选自HfO、ZnO、InZnO和ITO中的一种材料形成。特别地，ITO由铟、锡和氧化物组成。中间层22的厚度可以是1-50nm但不限于此。 
可变电阻材料层23由Ni氧化物形成。这里，当通常形成Ni氧化物时，Ni氧化物的性质根据腔体中氧分压来确定。当氧分压通常小于5％时，形成了具有金属性质的Ni氧化物。当氧分压在5％和15％之间时，形成了具有存储器开关性质的Ni氧化物。而且，当氧分压等于或大于15％时，形成了具有阈值开关性质的Ni氧化物。本发明的特征在于，通过应用氧分压等于或大于15％的状态下的Ni氧化物来形成可变电阻材料层23。具体而言，可变电阻材料层23可以在大约30％的氧分压下形成。这里，可变电阻材料层23的厚度可以但不限于1-100nm。 
如图2所示的包括可变电阻材料的非易失存储器可以使用半导体器件制造工艺，比如包括溅射和原子层沉积的物理气相沉积(PVD)或CVD。如图1所示，在使用STO基材料的双极性开关器件的情形中，用于形成双极性开关器件所需的温度等于或大于大约700℃。但是，在图2所示的非易失性存储器中，用于形成该非易失性存储器所需的温度等于或小于大约350℃，且该非易失性存储器可以在相对低的温度下形成。 
如图2所示的包括可变电阻材料的非易失存储器可以连接到比如晶体管或二极管的开关器件。具体而言，例如栅极结构形成在包括源极区和漏极区的半导体衬底上，而源极区或漏极区可以连接到如图2所示的包括可变电阻 材料的非易失存储器的下电极。此外，源极区或漏极区可以连接到二极管结构，且可以形成为交叉点型存储器。 
如图2所示的包括可变电阻材料的非易失存储器具有双极性开关性质，且将在下面参考图3进行说明。 
图3是示出如图2所示的包括可变电阻材料的非易失存储器的双极性开关性质的图。在图3的图中，下电极21和上电极24由Pt形成，中间层22由ITO形成，可变电阻材料层23由在大约30％的氧分压下沉积的Ni氧化物形成，而且测量了长度和宽度均为大约100微米的样品。 
参考图3，如图在初始状态中电压逐渐从0V减小到负值，则流经可变电阻材料层23的电流逐渐增加。如果施加的电压组件减小到负值，则电流沿着图3的线1增加。这里，示出了施加电压一直到-4V。接下来，当施加的电压再次增加时，如图所示直到-2V为止电流与线1的电流相似。但是，当施加的电压从-2V增加到0V时，如图所示电流的变化沿与线1不同的线2。因此，施加的相同的电压具有两个电阻值。 
而且，如果电压逐渐从0V增加到正值，则流经可变电阻材料层23的电流逐渐增加。如果施加的电压逐渐增加到正值，则电流沿着图3的线3增加。图3中，示出了施加电压一直到3V。接下来，如果施加的电压再次减小时，如图所示电流与线3的电流相似。但是，如果施加的电压持续减小时，则电流沿着线4减小，这表示电流的变化不同于线3。因此即使施加正的电压也具有两个电阻值。 
参考图3，当对如图2所示的非易失性可变电阻存储器施加正电压和负电压时，该电压具有两个阻值。显示出双极性开关性质的可变电阻存储器可以使用表现出双极性开关性质的Ni氧化物实现，且可以用于传统的单极性开关器件中。 
图4是根据如图2所示的包括可变电阻材料的非易失存储器的尺寸的双极性开关性质的图。图4中所使用的样品包括Pt下电极、ITO层、由Ni氧化物形成的可变电阻层和Pt上电极。三个样品具有相同的厚度，但是却具有不同的宽度和长度，分别为100微米、30微米和10微米。 
参考图4，随着器件的面积减小，测量了根据施加的电压的小电流，且具有两个电阻值的施加的电压区域减小了。即使在器件的尺寸减小的状态中，也可以清楚地区分两个电阻值，使得可以将该包括可变电阻材料的非易 失存储器用作存储装置。 
根据本发明，包括可变电阻材料的非易失存储器具有非常简单的结构和稳定的双极性开关性质，而且可以用作交叉点性存储器和具有集成度好的优点。另外，与使用传统的钙钛矿基材料的情形相比，可以使用低温下简单的工艺制造该非易失存储器。 
尽管已经参照本发明的示范性实施例对本发明进行具体图示和说明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求所限定的发明范围和精神的情形下，可以进行形式和细节上的多种变化。这些优选的实施例应该被认为是示范性的而非限制意义的。本发明可以连接到晶体管结构或可以与二极管一起使用。另外，显然本发明可以用在交叉点结构的阵列形式中。 

Claims (6)

1.一种包括可变电阻材料的非易失存储器，包括：
下电极；
中间层，由选自HfO、ZnO、InZnO和ITO中的一种材料形成，并且形成在所述下电极上；
可变电阻材料层，形成在所述中间层上；以及
上电极，形成在所述可变电阻材料层上。
2.根据权利要求1的存储器，其中所述可变电阻材料层包括Ni氧化物。
3.根据权利要求1的存储器，其中所述下电极由选自Pt、Ru、Ir、Ni、Co、Cr、W、Cu或其合金中的一种材料形成。
4.根据权利要求1的存储器，其中所述上电极由选自Pt、Ru、Ir、Ni、Co、Cr、W、Cu或其合金中的一种材料形成。
5.根据权利要求1的存储器，其中所述中间层形成为1-50nm的厚度。
6.根据权利要求1的存储器，其中所述可变电阻材料层形成为1-100nm的厚度。
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