CN101546811A

CN101546811A - 电阻存储器

Info

Publication number: CN101546811A
Application number: CN200910083181A
Authority: CN
Inventors: 张培健; 赵宏武; 孟洋; 刘紫玉; 廖昭亮; 苏涛; 潘新宇; 梁学锦; 陈东敏
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2009-09-30

Abstract

本发明提供一种含有导电氧化层，并可提供给可变电阻存储介质氧元素的非易失性电阻存储器件。该非易失性电阻存储器件，包括：底电极；可变电阻存储介质层，该介质层为氧化物；充当氧库的导电氧化物；以及顶电极。通过插入的导电氧化层为介质层提供电阻翻转时的氧空位来改善存储介质的翻转特性和稳定性及持久性。

Description

电阻存储器

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及非易失性可变电阻存储器件。

背景技术

二十一世纪，计算机技术、互联网以及新型大众化电子产品的高速发展，对电子信息的存储处理产品的需求呈现高速上升趋势。存储技术渗透于半导体产品中的各个角落，随着传统半导体工艺步入微纳加工的极限，占据市场90％份额的flash存储由于集成度低，操作速度低的缺点遇到了发展的瓶颈，人们开始寻找下一代的优于目前的CMOS工艺的新一代非易失性存储器件。这其中电阻随机过程存储器(Resistance RandomAccess Memory，简称RRAM)以其诸多的优越性近年来引起了世界各国科研院所、高校以及企业的关注和研究。这些优点包括：高密度存储、高转化速度(ns)、长寿命(数万次转换)、低成本以及与传统CMOS工艺的兼容性等。电阻随机过程存储器所选用材料包括二元过渡金属氧化物(TiO₂、Cu_xO、NiO、ZrO₂、ZnO等)、铁磁材料Pr_1-xCaxMnO、掺杂SrTiO₃、SrZrO₃等以及有机材料和相变材料。

图1是SiO₂作为存储介质的电阻存储单元的I-V(电流-电压)扫描特性曲线实验图。存储介质单元初始处于低阻态(on state)，随着扫描电压增大介质单元转变到高阻态(off state)，然后正向电压逐渐减小到零，随后逐渐增加负偏压，当负向电压逐渐增大时介质单元重新回到低阻态，之后负向电压减小到零形成一个循环。图2是电脉冲诱导的电阻变化(Electric-Pulse-Induced Reversible Resistance ChangeEffect，简称EPIR)，在正负脉冲电压的激励下，存储介质实现高阻态和低阻态之间的交替翻转从而实现“0”和“1”之间的信息存储。通常电阻从高阻态转变到低阻态的过程称为写入过程(programming or setprocess)，从低阻态转变到高阻态称为擦除过程(erasing or resetprocess)。

目前许多文献报道，电阻随机过程存储器的介质单元一般为多晶或者非晶结构，单晶样品其电阻翻转效应并不理想，基于转变机理提出了许多模型，但大多数则认为是存储介质层中存在的缺陷导致的。由于存储介质中存在着许多缺陷，使得在给存储介质施加电场的过程中，电流传导过程中的载流子——电子或者氧空位，被限制在这些缺陷中心，当施加反向电场时，载流子在反向电场的作用下被释放出来，这两个过程则对应了介质层的高、低阻态。由于在底电极与顶电极之间只有存储介质，所以在电阻转变过程中由于介质层内(特别是电极-氧化物介质界面处)氧含量有限，使得存储单元在电阻翻转过程中高低阻差别不够大和不稳定等缺点。如文献报道中出现电阻不是特别稳定持久性不足等问题，也有文章和专利指出在电极之间插入缓冲氧化层，但一方面如果氧化层电阻较大(大于或与存储介质电阻相当)使得给存储单元施加的偏压大部分降落在缓冲层之中，另一方面如果，缓冲层电阻太小，存储介质由于没有足够的偏压在内部不能形成强电场，又起不到文献和专利中指出的缓冲层的作用；一方面会降低器件的性能，另一方面为了给存储介质施加足够的偏压形成内部强电场从而使得器件操作电压增大。

发明内容

为克服现有技术中电阻储存器所存在的缺陷，本发明提供了一种在电极与存储介质之间有导电氧化层的电阻储存器，该储存器中带有充当氧库的导电氧化物；该导电氧化层为介质层提供电阻翻转时的氧空位来改善存储介质的翻转特性和稳定性及持久性。

一种电阻储存器，包括在衬底上形成的底电极；在底电极上形成的存储介质层和在存储介质层上形成的顶电极，还包括插入底电极和顶电极之间的导电氧化物层。

进一步，所述导电氧化层在电阻储存器中插入的位置为：底电极与介质层之间、顶电极与介质层之间或者顶、底电极与介质层之间。

进一步，所述的导电氧化层材料为：SnO₂基导电氧化物、In₂O₃基导电薄膜、ZnO基导电薄膜、一氧化物岩盐结构的LaO、NdO、TiO、金红石结构二氧化物和铁磁金属性的CrO₂及半金属性的VO及V₂O₃、三大基本体系材料组合而成的多元导电氧化物或半导体氧化物掺杂后形成的导电氧化物。

进一步，所述的存储介质为：简单氧化物和复杂氧化物。

进一步，所述的简单氧化物为：TiO₂、NiO、CuxO、ZrO₂、SiO₂。

进一步，所述的复杂氧化物为：Prl-xCaxMnO[6]、掺杂SrTiO₃、SrZrO₃。

进一步，底电极和顶电极材料为：不活泼金属、Cu、W、Al、Ta、及其合金和导电氮化物。

进一步，在所述的衬底与底电极之间有过渡金属层。

进一步，所述的过渡金属层的材料为钛。

附图说明

图1以SiO₂作为存储介质的电阻存储器I-V扫描实验特性曲线。

图2以SiO₂作为存储介质的电阻存储器在正负电脉冲的激励下的电脉冲诱导的电阻转变(EPIR)效应。

图3a为导电氧化层处于底电极和存储介质层之间的电阻存储器的一个实施例截面图。

图3b为导电氧化层处于顶电极和存储介质层之间的电阻存储器的一个实施例截面图。

图3c为底电极和顶电极与存储介质层之间都有导电氧化层的电阻存储器的一个实施例截面图。

图4a为导电氧化层处于底电极和存储介质层之间的电阻存储器的一个实施例截面图。

图4b为导电氧化层处于顶电极和存储介质层之间的电阻存储器的一个实施例截面图。

图4c为底电极和顶电极与存储介质层之间都有导电氧化层的电阻存储器的一个实施例截面图。

图5为以TiO₂作为存储介质在存储介质与电极之间有导电氧化物(ITO)的电阻存储连续10次I-V扫描实验特性曲线。

图6为以TiO₂作为存储介质在存储介质与电极之间有导电氧化物(ITO)的电阻存储器在正负电脉冲的激励下的电脉冲诱导的电阻转变(EPIR)效应。

具体实施方式

实施例1

电阻存储器一个单元器件的结构如图3a所示：所述的电阻存储器的结构各层的排列顺序为：衬底300，底电极301，存储介质303，导电氧化层302，绝缘层304、存储单元和在存储单元内生成的顶电极305。

实施例2：

电阻存储器一个单元器件的结构如图3b所示，所述的电阻存储器的结构也可以为：各层的排列顺序为：衬底300，底电极301，导电氧化层302，存储介质303，绝缘层304、存储单元和在存储单元内生成的顶电极305。

实施例3：

电阻存储器一个单元器件的结构如图3c所示，所述的电阻存储器的结构也可以为：各层的排列顺序为：衬底300，底电极301，导电氧化层302-1，存储介质303，导电氧化层302-2，绝缘层304、存储单元和在存储单元内生成的顶电极305。

实施例1、2、3中是通过顶电极305的尺寸来限定器件尺寸的，但本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括实际器件制作时设计的各种形状，示例中器件形状均以长方形表示。

实施例4：

电阻存储器一个单元器件的结构如图4a所示，所述的电阻存储器的结构也可以为：

各层的排列顺序为：衬底400，底电极401及其存储单元，绝缘层404和在存储单元中依次生成的导电氧化层402、存储介质层403以及顶电极405。

实施例5：

电阻存储器一个单元器件的结构如图4b所示，所述的电阻存储器的结构也可以为：

衬底400，底电极401及其存储单元，绝缘层404和在存储单元中依次生成的导电氧化层402、存储介质层403和顶电极405。

实施例6：

电阻存储器一个单元器件的结构如图4c所示，所述的电阻存储器的结构也可以为：衬底400，底电极401及其存储单元，绝缘层404和在存储单元中依次生成的导电氧化层402-1、存储介质层403、导电氧化层402-2和顶电极405。

另外，也可以通过底电极401的尺寸来限制存储介质单元的尺寸，其示意图本发明为篇幅简洁，并没有画出来。

上述实施例中的导电氧化物包括：

(1)SnO₂基导电氧化物，如掺锑ATO(Sn₂O:Sb)和掺氟(FTO)以及掺磷、砷等；

(2)In₂O₃基导电薄膜，如ITO(In₂O₃:Sn)以及掺钛、锑、铅、及氟等；

(3)ZnO基导电薄膜，如掺Al(ZAO)、Ga的氧化锌薄膜和掺B、F、In、Sc和Y等第III族元素，或掺入Si、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr和Hf等第IV族元素；

(4)以及一氧化物岩盐结构的LaO、NdO、TiO等基于大量的氧空位缺陷而形成的好的电传导性；

(5)二氧化物金红石结构的IrO₂、MoO₂、OsO₂、RuO₂、VO₂(T>340K)、RhO₂(T>340K)、WO₂和铁磁金属性的CrO₂及半金属性的VO及V₂O₃等；

(6)三大基本体系材料组合而成的多元导电氧化物如ZnO-SnO₂，Cdln₂O₄，MgIn₂O₄、Cd₂SnO₄、GaInO₃，ZnO-In₂O₃、CdSb₂O₆、MgIn₂O₄、Zn₂In₂O₅等以及掺镧的锡酸钡(LBSO)和锡酸锶(LSSO)和CuAlO₂、CuGaO等；

(7)BeO、EuO、FeO Beta-Ga₂O₃、Ti₂O₃、FeTiO₃等半导体氧化物掺杂后形成的导电氧化物。

上述实施例中存储介质可以是简单氧化物如TiO₂、NiO、CuxO、ZrO₂、SiO₂等简单氧化物，以及复杂氧化物如Prl-xCaxMnO、掺杂SrTiO3、SrZrO3等。底电极和顶电极一般可以采用不活泼金属如Au、Pt等，或其他常见金属Cu、W、Al、Ta等及其合金以及一些导电氮化物如TiN等。

上述实施例中，由于底电极有时与衬底的附着力不好，可以在衬底上先生长一层过渡金属层，增加底电极与衬底的附着力，使得样品性能更加稳定，过渡层金属一般选用钛。

图5为以TiO₂作为存储介质的电阻存储器的连续10次I-V扫描特性曲线。器件在经历了初始的电铸过程(electrical forming process)之后初始处于低阻态，随着正向——定义正偏压加在顶电极上，地极加在底电极上为正向，反之为负向。扫描电压的增大，器件转变到高阻态，然后正向偏压减小到零继续负向增大，当负向偏压增大到一定值时器件重新转变到低阻态。并且在器件处于零偏压时，高低阻态都能很好的保持——非易失性。如前所述，高阻态向低阻态转变定义为写过程(programming process)，低阻态向高阻态转变定义为擦除过程(erasingprocess)，分别对应“1”和“0”的存储状态。可以看出在添加了导电氧化层的电阻存储器中，其电阻能稳定的连续的翻转，器件具有良好的电操作稳定性。

图6为以TiO₂作为存储介质在存储介质与电极之间有导电氧化物ITO的电阻存储器的电脉冲诱导的电阻转变(EPIR)实验。在正向(5V，4us)和负向(-5.2V，4us)的电压脉冲激励下，存储单元电阻在高阻态(off state)和低阻态(on state)之间交替变化，高阻态和低阻态都在0.5V小偏压下读取存储单元的阻值，对比与图2所示的EPIR效应，可以看出增加了导电氧化层的存储器件有明显的良好的翻转特性，改善了器件的性能，同时又不会增大器件的操作电压。

综上所述，根据本发明，该非易失性存储器件与没有插入导电的氧化层器件相比具有稳定的开关特性。其简单的结构可以作为交叉阵列型存储器，具有高密度集成的优点。通过插入导电氧化层提供给存储器件氧库，使得器件具有稳定的操作特性。

Claims

1、一种电阻储存器，包括在衬底上形成的底电极；在底电极上形成的存储介质层和在存储介质层上形成的顶电极，其特征在于：还包括插入底电极和顶电极之间的导电氧化物层。

2、根据权利要求1中所述的电阻存储器，其特征在于：所述导电氧化层在电阻储存器中插入的位置为：底电极与介质层之间、顶电极与介质层之间或者顶、底电极与介质层之间。

3、根据权利要求1中所述的电阻存储器，其特征在于：所述的导电氧化层材料为：SnO₂基导电氧化物、In₂O₃基导电薄膜、ZnO基导电薄膜、一氧化物岩盐结构的LaO、NdO、TiO、金红石结构二氧化物和铁磁金属性的CrO₂及半金属性的VO及V₂O₃、三大基本体系材料组合而成的多元导电氧化物或半导体氧化物掺杂后形成的导电氧化物。

4.根据权利要求1中所述的电阻存储器，其特征在于：所述的存储介质为：简单氧化物和复杂氧化物。

5.根据权利要求4中所述的电阻存储器，其特征在于：所述的简单氧化物为：TiO₂、NiO、CuxO、ZrO₂、SiO₂。

6.根据权利要求4中所述的电阻存储器，其特征在于：所述的复杂氧化物为：Pr1-xCaxMnO、掺杂SrTiO₃、SrZrO₃。

7、根据权利要求1中所述的电阻存储器，其特征在于：底电极和顶电极材料为：不活泼金属、Cu、W、Al、Ta、及其合金和导电氮化物。

8、根据权利要求1中所述的电阻存储器，其特征在于：在所述的衬底与底电极之间有过渡金属层。

9、根据权利要求8中所述的电阻存储器，其特征在于：所述的过渡金属层的材料为钛。