CN101281953A - 一种具有稳定阻变特性的材料及阻变存储器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有稳定阻变特性的材料以及阻变存储器，属于半导体非挥发性存储器技术领域。该阻变材料为掺入了银的二氧化硅薄膜或掺入了银的氮化硅薄膜。阻变材料的Ag粒子会朝着电极的方向运动并在电极处堆积。只要外加电压不撤销，堆积的银粒子将越来越多并向另一端的电极延伸。当堆积的银粒子将两端电极连通的时候，阻变层就由高阻态转向了低阻态。因此，本发明阻变材料以Ag粒子运动组合的方式形成导电通道，使阻变材料的电阻转变的稳定性大幅提升。

Description

一种具有稳定阻变特性的材料及阻变存储器

技术领域

本发明是关于半导体非挥发性存储器阻变材料的制备方法，具体地说，是关于一种具有稳定阻变特性的材料及阻变存储器。

背景技术

非挥发性存储器是能实现断电保存信息的一种半导体存储器件。非挥发性存储器在当前的电子产品中有着广泛的应用，如手机、个人电子助理(PDA)、IC卡等。半导体器件尺寸不断地缩小，使得集成电路的设计朝着片上系统集成(SOC)的方向发展，而实现SOC的一个关键技术就是低功耗、高密度、存取速度快的片上存储器的集成。非挥发性存储器无需持续供电的特性使它成为未来SOC大规模片上集成存储器的天然候选。由于现在主流的非挥发性存储器(浮栅闪速存储器)还无法满足SOC片上超大规模集成度的要求，新型非挥发性存储器的开发成为了当前研究的热点。在众多新型的非挥性发存储器当中，阻变存储器的器件尺寸在理论上可以近乎无限制地缩小，因此能达到很高的集成度高。此外，阻变存储器还具有器件制造工艺简单，工作电压低等优势。

图1是典型的阻变存储器单元剖面图。阻变存储器的底电极10和顶电极30通常使用Pt、Ti等化学性质较稳定的金属材料。置于底电极和顶电极之间的阻变材料20有TiO₂，ZrO，Cu₂O，SrTiO₃等二元或三元金属氧化物。

阻变存储器的信息读写依靠读取或者改变阻变材料的电阻率实现。通常的阻变材料具有高阻和低阻两种状态。与当前大多数半导体存储器的存储原理不同，阻变存储器并不依靠电容式结构中所存储的电荷量来存储信息，而是依靠材料本身的电阻率的改变。由于材料本身的电阻率与材料的尺度无关，因此理论上阻变存储器的存储性能并不会随着器件尺寸的缩小而退化。这就决定了阻变存储器潜在的集成能力远远高于当前主流的浮栅式闪速存储器。另一方面，阻变存储器的器件结构简单，可以非常容易地实现与现有的CMOS生产工艺的集成。

在阻变存储器的读写操作当中，一般定义高阻态存储一位二进制信息0，低阻态存储一位二进制信息1。由于阻变材料的初始阻态为高阻态，因此将向信息位写入1的操作(对应阻变材料由高阻态转为低阻态)定义为写入操作，而向信息位写入0的操作(对应阻变材料由低阻态转为高阻态)定义为擦除操作。器件写入操作，一般需要在顶电极和底电极之间施加大约1-5V的短电压脉冲，并设置适当的最大电流限制，以避免阻变材料由高阻态转向低阻态的过程中由于电流突然增大数个量级导致器件失效。器件的擦除操作，一般需要施加与写入电压同向或反向的大约0.5-1V的短电压脉冲。用于写入和擦除的电压脉冲宽度从数十纳秒到上百微秒不等，视具体的阻变材料特性而定。擦除电压宽度一般远大于写入脉冲宽度。器件存储信息的读取可以通过施加0.2V左右的小电压并检测相应的电流大小实现。

潜在的超大规模集成能力，与现有生产工艺的良好兼容性以及工作电压低决定了阻变存储器具有广阔的应用前景和良好的商业价值。当前影响阻变存储器大规模应用的主要因素在于阻变材料的电阻转变条件具有较大的随机性，即使是同一个器件其两次转变发生的脉冲条件也常常会有较大的偏差。并且在多次转变的过程中，高低阻态的阻值常常也不稳定，阻值的分布较离散。这种随机离散性使得对阻变存储器的精确控制非常困难，阻碍的阻变存储器的进一步应用。因此，研制新型的能够发生稳定阻变的材料是阻变存储器进一步推广的前提条件。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种阻变存储器的阻变材料、阻变存储器及制备方法，该阻变存储器的阻变材料具有比较稳定的阻变特性，能适用于超大规模集成电路中的存储部件。

本发明的技术方案是：

一种具有稳定阻变特性的材料，其特征在于，该材料为掺入了银的二氧化硅薄膜或掺入了银的氮化硅薄膜。

上述材料中，银的质量百分比含量在0.1％～10％之间。

一种阻变存储器，包括底电极、顶电极以及位于上述底电极和顶电极之间的阻变材料层，其特征在于，上述阻变材料层为掺入了银的二氧化硅薄膜或掺入了银的氮化硅薄膜。

阻变材料层的厚度在10nm～100nm之间。

所述顶电极和底电极可以采用金属Pt，Ti，Ni，W，TiN等材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

普通的阻变存储器的导电机理主要是缺陷导电。即阻变材料中都存在一定量的缺陷(可能是氧空位)。处于高阻态的材料中的缺陷零散无规律地分布在阻变材料当中。在写入脉冲的作用下，缺陷随机产生并移动。随着产生及移动的缺陷越来越多，总会形成一条连通顶电极和底电极的缺陷导电通道，从而使现由高阻态向低阻态的转变。这种转变具有极大的随机性。若定义实际使阻变器件由高阻向低阻发生转变的条件p为外加电压与实际转变时间的乘积，根据渗流模型，对同一个器件，p的随机分布满足规律F(p)＝1-exp[-(p/α)^β]，其中F(p)为器件的累积转变几率。β值越小，表示p的随机分散度越大，器件发生转变的条件越不稳定。而β与阻变材料层的薄膜厚度t_ox呈正相关。这就导致了膜厚越小，转变越不稳定的结果，从而与小尺寸大规模集成的要求相违背。

与普通阻变存储器不同，本发明使用的阻变材料以Ag粒子运动组合的方式形成导电通道，电阻转变的稳定性大幅提升。如图2所示，在外加电压的作用下，薄膜中的Ag粒子会朝着电极的方向运动并在电极处堆积。只要外加电压不撤销，堆积的银粒子将越来越多并向另一端的电极延伸。当堆积的银粒子将两端电极连通的时候，阻变层就由高阻态转向了低阻态。银粒子的堆积速度dL/dt可用微分方程dL/dt＝αμV(L₀-L)描述。其中L是银粒子堆的高度，L₀是两电极之间的距离，也即膜电压V下Ag粒子导电通道形成的时间t＝L₀ ²(2αμV)。由此可见掺Ag的SiO₂薄膜导电通道的产生机制不同于普通的阻变材料，并且其产生的条件非常确定；也即是说，用掺Ag的S厚；α和μ分别是银粒子在SiO₂中的密度和迁移率；V是外加电压。解微分方程可得在某一iO₂作阻变层的阻变存储器性能稳定，可靠性高，适用于超大规模集成系统的应用。

附图说明

图1为半导体非挥发性存储器结构示意图；

图2为本发明阻变材料实现阻变的原理示意图；

图3为本发明实施例中阻变存储器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明阻变存储器的制备作进一步详细描述：

参考图3，在位于硅衬底50之上的SiO₂绝缘介质40上，用PVD(Physical VaporDeposition)方法生长Pt底电极10。在底电极之上用PLD(Pulsed Laser Deposition)方法生长掺入了Ag粒子的SiO₂薄膜，具体步骤为，制作用于PLD生长薄膜的靶材，需要将SiO₂细粉末和细银粉混合均匀，其制备具体为：在0.15mbar～0.25mbar的压力下压制4～8分钟之后，在900～1200摄氏度下高温烧结20～30小时以上即可制成。PLD的激光功率选用250mW～350mW之间，淀积时间约8～12分钟，生长出掺Ag的SiO₂薄膜，形成阻变材料层20。阻变材料层之上再用PVD方法生长适当厚度的Pt顶电极30。最后再利用一步掩模光刻，将顶电极30和阻变层20刻蚀掉，露出底电极10以便进行测量。

本发明阻变存储器的阻变材料层还可以是掺入了银的氮化硅薄膜。

另外，阻变材料中银的质量百分比含量在0.1％～10％之间。

此外，阻变材料层的厚度在10nm～100nm之间。

本发明阻变存储器充分利用了上述阻变材料的稳定阻变特性，可靠性高。除上述实施例阻变存储器外，利用上述阻变特性的材料，还可以构造其他器件结构。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的阻变存储器，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (6)

1、一种具有稳定阻变特性的材料，其特征在于，该材料为掺入了银的二氧化硅薄膜或掺入了银的氮化硅薄膜。

2、如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料中，银的质量百分比含量在0.1％～10％之间。

3、一种阻变存储器，包括底电极、顶电极以及位于上述底电极和顶电极之间的阻变材料层，其特征在于，所述阻变材料层为掺入了银的二氧化硅薄膜或掺入了银的氮化硅薄膜。

4、如权利要求3所述的阻变存储器，其特征在于，阻变材料层的厚度在10nm～100nm之间。

5、如权利要求3或4所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料层中，银的质量百分比含量在0.1％～10％之间。

6、如权利要求3所述的阻变存储器，其特征在于，所述顶电极和底电极采用金属Pt，Ti，Ni，W或TiN材料。

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