CN101420012A - 嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器 - Google Patents

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管伟华
刘明
龙世兵
贾锐
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Abstract

本发明涉及微电子器件及存储器技术领域，公开了一种基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器，该存储器包括：上导电电极层与下导电电极层；包含在上导电电极层与下导电电极层之间的二元过渡族金属氧化物薄膜；在二元过渡族金属氧化物薄膜中嵌入的纳米晶颗粒。利用本发明，器件的加工工艺与传统CMOS工艺兼容，可以极大的提高器件的产率，为器件的大规模集成打下基础。

Description

嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器
技术领域
本发明涉及微电子器件及存储器技术领域，尤其涉及一种基于二元过渡族金属氧化物的电阻转变特性的非挥发性存储器器件。
背景技术
非挥发性存储器，它的主要特点是在不加电的情况下也能够长期保持存储的信息，它既有ROM的特点，又有很高的存取速度。随着多媒体应用、移动通信等对大容量、低功耗存储的需要，非挥发性存储器，特别是闪速存储器(Flash)，所占半导体器件的市场份额变得越来越大，也越来越成为一种相当重要的存储器类型。
当前市场上的非挥发性存储器以闪存(Flash)为主流，但是闪存器件存在操作电压过大、操作速度慢、耐久力不够好以及由于在器件缩小化过程中过薄的隧穿氧化层将导致记忆时间不够长等缺点。理想的非挥发性存储器应具备操作电压低、结构简单、非破坏性读取、操作速度快、记忆时间(Retention)长、器件面积小、耐久力(Endurance)好等条件。
目前已经对许多新型材料和器件进行了研究，试图来达到上述的目标，其中有相当部分的新型存储器器件都采用电阻值的改变来作为记忆的方式。其中电阻转变型存储器(RRAM)主要是基于固态氧化物材料的电阻可变特性的。
如图1所示，图1为电阻转变型存储器器件的基本结构示意图。在图1中，101表示上电极，102表示下电极，103表示功能层材料薄膜。该层薄膜的电阻值可以具有两种不同的状态(高阻和低阻，可以分别用来表征‘0’和‘1’两种状态)。
如图2所示，图2为电阻转变型存储器理想化的电流电压曲线示意图。这两种电阻状态(即上述‘0’和‘1’两种状态)可以在外加电场的作用下相互转换。RRAM具有在32nm节点及以下取代现有主流FLASH存储器的潜力，因而成为目前新型存储器器件的一个重要研究方向。
目前RRAM的材料体系包括：复杂的氧化物，例如Pr1-xCaxMnO3，钙钛矿材料SrTiO3和SrZrO3等；简单的二元过渡族金属氧化物，包括Cu、Ti、Ni、Ta、Hf、Nb等过渡族金属元素的氧化物。相比较其它的复杂材料，二元过渡族金属氧化物具有结构简单，制造容易，以及和现有CMOS工艺兼容的优点。
普通的二元过渡族金属氧化物的电阻转变特性对氧化物薄膜的生长方法和缺陷态有很强的依赖关系，虽然有很多种二元过渡族金属氧化物材料已经被发现具有在外加电场下电阻转变的特性，他们并没有一个统一的物理机制来解释。
但是有一点是肯定的，电阻转变特性和二元过渡族金属氧化物材料中的缺陷态有很强的关系。由于自然生长形成的缺陷态难以人工控制，所以导致目前基于二元过渡族金属氧化物材料电阻转变特性的存储器器件的产率不高。如果能够人工调制缺陷态在氧化层中的分布，那么器件的产率将会得到较大提高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述现有基于二元过渡族金属氧化物电阻转变特性的存储器存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种制造工艺简单、制造成本低、器件产率高的电阻转变型存储器器件。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器，该存储器包括：
上导电电极层与下导电电极层；
包含在上导电电极层与下导电电极层之间的二元过渡族金属氧化物薄膜；
在二元过渡族金属氧化物薄膜中嵌入的纳米晶颗粒。
上述方案中，所述上导电电极层与下导电电极层的材料为金属、多晶硅或导电化合物。
上述方案中，所述二元过渡族金属氧化物薄膜的材料为氧化锆、氧化镍、氧化钛，氧化铜、氧化锰、氧化铝、氧化镁、氧化铌、氧化钒、氧化锌或氧化钼。
上述方案中，所述二元过渡族金属氧化物薄膜的厚度为30至200nm。
上述方案中，所述纳米晶颗粒的材料为金属颗粒Ni、Fe、Co、Mn、Cr、W、Al、Cu、Au、Ag、Pt或Sn，或者为半导体颗粒Ge、Si。
上述方案中，所述纳米晶颗粒的直径尺寸为1至20nm。
所述纳米晶颗粒充当了电子陷阱的角色，可以使得缺陷态在二元过渡族金属氧化物中的分布更加可控和均匀，从而使得器件的产率得以提高。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，在二元过渡族金属氧化物中引入纳米晶颗粒可以极大地提高器件的产率。
2、本发明的存储器器件具有结构简单，易集成，成本低，与传统的硅平面CMOS工艺兼容的优点，有利于本发明的广泛推广和应用
3、利用本发明，器件的加工工艺与传统CMOS工艺兼容。
4、本发明提供的基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器，可以极大的提高器件的产率，为器件的大规模集成打下基础。
附图说明
图1为电阻转变型存储器器件的基本结构示意图；
图2为电阻转变型存储器理想化的电流电压曲线示意图；
图3为基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的电阻转变型存储器器件的结构示意图；
图4为二元过渡族金属氧化物中含有纳米晶颗粒的TEM照片；
图5为有无纳米晶颗粒嵌入在二元过渡族金属氧化物中器件产率的比较；
图6为基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒电阻转变特性的存储器器件的耐受性性能示意图；
图7为基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒电阻转变特性的存储器器件的数据保持性能示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个实施例中，通过电子束蒸发工艺，以重掺杂的n型半导体衬底作为下电极。首先淀积一层25nm的氧化锆层，然后淀积一层2nm的金薄膜层，之后再淀积一层25nm的氧化锆层，然后再在氮气环境和800℃温度条件下进行2分钟的热退火处理，以形成金纳米晶颗粒并钝化自然形成的氧化锆中的缺陷。最后淀积上电极完成整个器件的基本结构。
如图3所示，图3为基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的电阻转变型存储器器件的结构示意图。该存储器包括：上导电电极层301与下导电电极层302，包含在上导电电极层301与下导电电极层302之间的二元过渡族金属氧化物薄膜303；以及在二元过渡族金属氧化物薄膜303中嵌入的纳米晶颗粒304。
图4至7是用来说明本发明一个实施例的示意图。
如图4所示，图4为二元过渡族金属氧化物中含有纳米晶颗粒的TEM照片，是将金纳米晶嵌入在氧化锆层中的TEM照片。如图4所示，在进行热退火操作之后，氧化锆层中含有明显的金纳米晶颗粒。
如图5所示，图5为有无纳米晶颗粒嵌入在二元过渡族金属氧化物中器件产率的比较。图5是说明本发明一个实施例中，金纳米晶嵌入在氧化锆层中对提高器件产率的作用。如图5所示，采用氧化锆层中嵌入金纳米晶颗粒的器件，其产率比采用单纯氧化锆的器件提高很多。
如图6所示，图6为基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒电阻转变特性的存储器器件的耐受性性能示意图，是说明本发明一个实施例中器件耐受性性能的曲线。如图6所示，在经过100多次的重复操作后，器件的电阻转变特性并没有明显的恶化。
如图7所示，图7为基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒电阻转变特性的存储器器件的数据保持性能示意图，是说明本发明一个实施例中器件数据保持性能的曲线。如图7所示，对于随意高阻或低阻状态，在经过1000秒后的电阻值并没有明显的改变，证明了器件的非挥发性性能。
由上述可知，在本发明的实施例中，通过电子束顺序蒸发三层薄膜，然后执行热退火操作的方法，可以形成纳米晶点嵌入在氧化物薄膜中的结构，这些纳米晶作为人工调制的缺陷态，可以极大的提高器件的产率。这种基于二元过渡族金属氧化物和纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器，其制造工艺简单、制造成本低、与传统的硅平面CMOS工艺的兼容性非常好。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器，其特征在于，该存储器包括：
上导电电极层与下导电电极层；
包含在上导电电极层与下导电电极层之间的二元过渡族金属氧化物薄膜；
在二元过渡族金属氧化物薄膜中嵌入的纳米晶颗粒。
2、根据权利要求1所述的基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器器件，其特征在于，所述上导电电极层与下导电电极层的材料为金属、多晶硅或导电化合物。
3、根据权利要求1所述的基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器器件，其特征在于，所述二元过渡族金属氧化物薄膜的材料为氧化锆、氧化镍、氧化钛，氧化铜、氧化锰、氧化铝、氧化镁、氧化铌、氧化钒、氧化锌或氧化钼。
4、根据权利要求1所述的基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器器件，其特征在于，所述二元过渡族金属氧化物薄膜的厚度为30至200nm。
5、根据权利要求1所述的基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器器件，其特征在于，所述纳米晶颗粒的材料为金属颗粒Ni、Fe、Co、Mn、Cr、W、Al、Cu、Au、Ag、Pt或Sn，或者为半导体颗粒Ge、Si。
6、根据权利要求1所述的基于二元过渡族金属氧化物的嵌入纳米晶颗粒的非挥发电阻转变型存储器器件，其特征在于，所述纳米晶颗粒的直径尺寸为1至20nm。
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