CN101882628A - 一种用于交叉阵列结构存储器的整流器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子器件及存储器技术领域，公开了一种与CMOS工艺兼容的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，包括：上电极、下电极以及包含在上电极与下电极之间的功能层薄膜。本发明的整流器件能够提供更高的电流密度，与存储器器件串联后形成的1D1R结构能抑制交叉阵列结构存储器中的串扰现象。本发明的用于交叉阵列结构存储器的整流器件器件具有结构简单，易集成，成本低的优点，有利于本发明的广泛推广和应用。

Description

一种用于交叉阵列结构存储器的整流器件
技术领域
本发明属于微电子制造及存储器技术领域，尤其涉及一种用于用于交叉阵列结构存储器的整流器件。
背景技术
存储器大致可分为两大类：易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器在电源关闭时立即失去存储在内的信息；它需要持续的电源供应以维持数据，以SRAM、DRAM为代表。非易失性存储器，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，目前使用的最多的为闪存(Flash)非易失性存储器。随着多媒体应用、移动通信等对大容量、低功耗存储的需要，非易失性存储器，特别是闪存(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。
虽然闪存(Flash)已经得到了很大的应用，但其操作电压过高一直被人诟病，并且在写数据之前需要事先的擦除，操作速度慢。随着工艺节点的缩小，闪存(Flash)器件在缩小化过程中过薄的隧穿氧化层将导致电荷泄露问题越来越严重，使得器件的数据保持特性恶化。科学界和工业界一直在寻求一种能够替代传统的闪存(Flash)的非易失性存储器。相变存储器(PCRAM)、阻变存储器(RRAM)、离子存储器(CBRAM)等新一代存储器由于具备操作电压低、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、能进行三维集成等特点被视为下一代非易失存储器的强有力竞争者。
交叉阵列结构是最有希望用于相变存储器(PCRAM)、阻变存储器(RRAM)、离子存储器(CBRAM)等新一代存储器的集成的结构。采用交叉阵列结构的存储器在理论上具有最小的单元面积(4F2)，并且可以进行三维集成，能够有效的提高存储器密度。在交叉阵列结构中，上下相互垂直的平行导线中间夹含着存储单元，每一个存储单元都可以实现器件的选通并进行读写。但是，由于存储器单元对称的电学特性(图1)，交叉阵列结构集成碰到严重的读串扰问题。如图2所示相邻的四个器件，若A1为高阻态而其他为低阻态，在读取A1的阻态时，希望的电流通路如图2中实线所示，但实际上的电流通路却如图2中虚线所示，使得读出来的电阻值不是Al的高阻态电阻了，这就是读串扰现象，从而导致误读。解决误读的办法之一就是使得存储单元具有整流特性。目前最常用方法就是给存储器单元串联上一个整流二极管，形成一个二极管一个电阻(1D1R)的单元结构，这样就可以抑制图2中虚线所示的漏电通道，减少误读。但是，基于1D1R结构中的二极管的性能指标却一直是新型存储器研究中非常棘手的一个问题。以32nm技术节点来计，如果存储器单元的复位(Reset)电流为10微安，所需二极管的电流密度高达106A/cm2，而目前所报道的用于存储器单元的整流二极管的电流密度最高只有104A/cm2。由此可见，当存储器的器件面积持续缩小时，二极管提供的电流不足以使得存储器单元发生状态转变，因此基于1D1R结构的交叉阵列集成方案在很大程度上依赖于整流二极管的性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述现有交叉阵列结构集成方案中遇到的问题，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、能够提供大的电流密度的用于交叉阵列结构存储器的整流器件。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提出了一种能够提供大的电流密度和整流比的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其基本器件结构包括：
下电极；
上电极；以及
包含在上电极和下电极之间的功能层薄膜。
上述方案中，所述上电极和下电极采用Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、IZO、YBCO、LaAlO3、SrRuO3和多晶Si中的任一种。
上述方案中，所述功能层薄膜采用NiO、TiO2、CuOx、ZrO2、Ta2O5、Al2O3、CoO、HfOx、MoOx、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO3、BaTiO3、SrZrO和非晶硅中的任一种材料。
上述方案中，所述功能层薄膜采用经过掺杂改性后的NiO、TiO2、CuOx、ZrO2、Ta2O5、Al2O3、CoO、HfOx、MoOx、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO3、BaTiO3、SrZrO和非晶硅中的任一种材料。
上述方案中，所述功能层薄膜的厚度为10至200nm。
上述方案中，所述上电极与所述功能层薄膜之间接触形成整流特性，或者所述下电极与所述功能层薄膜之间之间接触形成整流特性。
上述方案中，所述的整流器件本身开始就处于低阻状态，并且在低阻态具有整流特性；或者
器件开始处于高阻状态，通过施加一电压从高阻态转变成低阻态后具有整流特性。
上述方案中，该整流器件处于低阻态后，电阻不会再发生转变；或者
该器件处于低阻态后，需要施加一大于3V的电压才能发生电阻转变。
上述方案中，整流器件处于低阻态时是局域通道导电，当器件面积缩小时，整流器件的电流不显著减小，从而使得整流器件在小尺寸时获得很高的电流密度。
(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，器件的制备方法简单，降低了存储器的制作成本，有利于存储器的集成。
2、利用本发明，能够为交叉阵列存储器提供整流器件，抑制读串扰。
3、利用本发明，能够为叉阵列存储器提供更高的电流密度，减少串联整流管对存储器器件的影响。
附图说明
通过参考附图对本发明的示范性实施例的详细描述中，本发明的上述和其他特点和优点将更为明显，在附图中：
图1是阻变存储器器件的电阻转变特性示意图；低阻态时存储器件在正负电压下电学特性曲线基本对称；
图2是阻变存储器器件读串扰的电流通道示意图；若A1为高阻态而其他三个存储单元为低阻态，在读取A1的电阻时，希望的电流通路如图中实线所示，但实际上的电流通路却如图中虚线所示，使得读出来的电阻值不是A1的高阻态电阻了，从而导致误读；
图3是文献报道的用于1D1R结构集成方案中的存储器件和整流二极管的特性曲线；从图中可以看出，在相同的电压下，二极管提供的电流没有存储单元发生复位(Reset)所需要的电流大；
图4是文献报道的1D1R结构的阻变存储器电阻转变特性曲线；串联上整流二极管后，器件只能在正电压方向发生电阻转变，并且操作电压分别由原来的0.6V和2V增大至3.2V和4.5V；
图5是实际制作的Pt/ZrO2:Au/n+Si整流二极管器件的结构示意图；在n+Si衬底501上的是含Au纳米晶503的ZrO2的薄膜502，最后用剥离的方法形成Pt电极504；
图6是实际制作的Pt/ZrO2:Au/n+Si整流二极管器件的整流特性曲线图。
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。
图5至6是用来说明本发明一个实施例的示意图。
图5是是实际制作的Pt/ZrO2:Au/n+Si整流二极管器件的结构示意图。Au纳米晶503是通过在N2氛围中800℃下退火得到的。
在本发明的一个实施例中，以n+型硅为衬底，利用电子束蒸发工艺淀积50nm厚的Au纳米晶掺杂的ZrO2作为功能层薄膜，然后在800℃ N2的氛围下退火2分钟，之后淀积一层50nm厚的Pt上电极层。完成整流二极管器件的制作。
图6是实际制作的Pt/ZrO2:Au/Si整流二极管器件在低阻态时的整流特性曲线，在±1V的读取电压下，整流比高于105，与存储器单元串联形成1D1R结构后能够有效的抑制串扰，避免误读发生。
通过测试发现，所制备的整流二极管电流并没有随着器件面积的缩小呈线性的减小；经分析计算可知，器件中电流通道的有效面积在百纳米量级，这样使得器件在小尺寸下能够获得更高的电流密度，为阻变存储单元提供大足够的电流，减少串联二极管对存储单元的影响，抑制串扰，减少误读。
由上述可知，在本发明的实施例中，通过制备电流不随器件面积的缩小呈线性的减小的整流器件，当器件面积缩小时，大流密度大大提高，能够减少串联整流二极管对交叉阵列结构中存储器单元的影响，大的整流比能够有效的抑制交叉阵列结构中的串扰，减少误读，便于存储器和外围电路的集成。
参考文献：
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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 (9)

1.一种用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其特征在于，包括：
下电极；
上电极；以及
包含在上电极和下电极之间的功能层薄膜。
2.根据权利要求1所述的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其特征在于，所述上电极和下电极采用Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、IZO、YBCO、LaAlO3、SrRuO3和多晶Si中的任一种。
3.根据权利要求1所述的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其特征在于，所述功能层薄膜采用NiO、TiO2、CuOx、ZrO2、Ta2O5、Al2O3、CoO、HfOx、MoOx、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO3、BaTiO3、SrZrO和非晶硅中的任一种材料。
4.根据权利要求1所述的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其特征在于，所述功能层薄膜采用经过掺杂改性后的NiO、TiO2、CuOx、ZrO2、Ta2O5、Al2O3、CoO、HfOx、MoOx、ZnO、PCMO、LCMO、SrTiO3、BaTiO3、SrZrO和非晶硅中的任一种材料。
5.根据权利要求1所述的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其特征在于，所述功能层薄膜的厚度为10至200nm。
6.根据权利要求1所述的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其特征在于，所述上电极与所述功能层薄膜之间接触形成整流特性；或者
所述下电极与所述功能层薄膜之间接触形成整流特性。
7.根据权利要求1所述的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其特征在于，该器件开始处于低阻状态，并且在低阻态具有整流作用；或者
该器件开始处于高阻状态，通过施加一电压变成低阻态后具有整流作用。
8.根据权利要求1所述的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其特征在于，该器件处于低阻态后，电阻不会再发生转变；或者
该器件处于低阻态后，需要施加一大于3V的电压才能发生电阻转变。
9.根据权利要求1所述的用于交叉阵列结构存储器的整流器件，其特征在于，该整流器件处于低阻态时是局域通道导电，当器件面积缩小时，该整流器件的电流不显著减小，从而使得整流器件在小尺寸时获得很高的电流密度。
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