CN102148328A - 一种氧化物电阻存储器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化物电阻存储器件，包括衬底，位于所述衬底上的底电极，位于所述底电极上的氧化物控制层，位于所述氧化物控制层上的氧化物阻变层，以及位于所述氧化物阻变层上的顶电极。该器件制备工艺简单、性能可靠，提高了氧化物阻变存储器的阻变的循环耐久力，增强了其数据保持特性。

Description

一种氧化物电阻存储器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及非挥发性存储器件技术领域，特别是涉及一种氧化物电阻存储器件及其制备方法。

背景技术

非挥发性存储器具有断电时数据保持的优点，是当前存储技术的研究热点之一。然而，当今的主流非挥发存储器-闪存(flash)存在操作电压高、速度慢、耐久力差等问题。电阻式随机存储器(ResistanceRandom Access Memory，RRAM)已经表现出结构简单、工作速度快，存储密度高与CMOS工艺兼容性好等优点，是新一代非挥发半导体存储器重要候选者之一。RRAM的基本存储单元是一个金属-绝缘体-金属(MIM)结构电阻器。借由电压或电流脉冲，可以使MIM结构的电阻在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除。RRAM工作的关键是某些材料的电阻转变和记忆效应，在电压或电流作用下这些材料的电阻可以发生可逆的、巨大的改变。

许多种氧化物半导体薄膜，比如TiO₂、NiO、HfO₂、CuxO等已经表现出了电阻转变和记忆特性。这些材料具有简单的二元结构，易于和当前传统的半导体器件制备工艺集成，引起了人们广泛的研究兴趣。目前的氧化物电阻式存储器件，已经成功演示了工作电压低于2伏、数据编程/擦除(P/E)速度小于5纳秒等优异的存储特性，同时，RRAM技术还显示出良好的按比例缩小能力和实现高密度三维集成的潜力。但是氧化物电阻存储器件在高阻态和低阻态之间的循环转变时的阻变稳定性、循环耐久力以及电阻态的保持特性等性能还不理想，尚不能满足实际应用的需求。如何提高氧化物电阻存储器件的循环耐久性能及数据的保持等可靠性能是电阻存储器件技术发展面临 的难点之一。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高氧化物电阻存储器件的循环耐久性能及数据的保持等可靠性能。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，提供一种氧化物电阻存储器件，包括衬底，位于所述衬底上的底电极，位于所述底电极上的氧化物控制层，位于所述氧化物控制层上的氧化物阻变层，以及位于所述氧化物阻变层上的顶电极。

优选地，所述衬底选择材料SiO₂/Si、Al₂O₃、硼硅玻璃或石英玻璃。

优选地，所述顶电极采用薄膜材料铂/钛(Pt/Ti)、金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、TiN、TaN或掺铌钛酸锶中的一种制成。

优选地，所述底电极采用薄膜材料铂/钛(Pt/Ti)、金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、TiN、TaN或掺铌钛酸锶中的一种制成。

优选地，氧化物阻变层采用氧化物薄膜材料HfO₂、TiO₂、NiO、ZrO₂、CeO₂或Fe₂O₃以及各种离子如Al³⁺、La³⁺和Gd³⁺离子掺杂的上述氧化物薄膜材料制成。

优选地，氧化物控制层所采用的氧化物薄膜的氧空位形成能低于所述氧化物阻变层采用的薄膜材料。

本发明还提供了一种氧化物电阻存储器件的制备方法，包括步骤：

S1，选择衬底材料；

S2，在衬底上制备导电薄膜作为底电极；

S3，在底电极上制备氧化物控制层薄膜；

S4，在氧化物控制层薄膜上制备氧化物阻变层薄膜；

S5，在氧化物阻变层薄膜上制备导电薄膜作为顶电极；

S6，利用光刻、刻蚀工艺制备氧化物电阻存储器单元。

优选地，利用溅射法、原子层沉积法和化学气相沉积法制备底电极、氧化物控制层、氧化物阻变层和顶电极。

(三)有益效果

本发明的氧化物电阻存储器件与普通电阻存储器单元相比，在底电极和氧化物阻变层之间增加了一层氧化物控制层，该氧化物控制层在器件电形成之后将处于常通的状态，电阻的转变主要是发生在氧化物阻变层。利用氧化物控制层薄膜中低的氧空位形成能去调节氧化物阻变层的氧空位分布特性，从而改善氧化物电阻存储器的可靠特性。该器件制备工艺简单、性能可靠，提高了氧化物阻变存储器的阻变的循环耐久力，增强了其数据保持特性。

附图说明

图1是依据本发明实施方式的氧化物电阻存储器件的结构示意图；

图2a-2f是依据本发明实施方式的氧化物电阻存储器件制备方法的流程图；

图3a为没有氧化物控制层的TiN/TiO₂/Pt器件在脉冲扫描下的阻变稳定性；图3b为增加了氧化物控制层ZnO后的TiN/TiO₂/ZnO/Pt器件在脉冲扫描下的阻变稳定性；

图4是TiN/TiO₂/Pt和TiN/TiO₂/ZnO/Pt器件在高阻态下的失效概率随时间变化的关系。

其中，1：衬底；2：底电极；3：氧化物控制层；4：氧化物阻变层；5：顶电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供了一种氧化物电阻存储器件，包括衬底1，位于衬底1上的底电极2，位于底电极2上的氧化物控制层3，位于氧化物控制层3上的氧化物阻变层4，以及位于氧化物阻变层上的顶电极5。衬底1选择材料SiO₂/Si、Al₂O₃、硼硅玻璃或石英玻璃制作。顶电极5采用薄膜材料铂/钛(Pt/Ti)，金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、TiN、TaN、掺铌钛酸锶中的任一种制成。底电极2采用薄膜材料铂/钛(Pt/Ti)，金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、TiN、TaN、掺铌钛酸锶中的任一种制成。氧化物阻变层4采用氧化物薄膜材料HfO₂、TiO₂、NiO、ZrO₂、CeO₂或Fe₂O₃以及各种离子如Al³⁺、La³⁺和Gd³⁺离子掺杂的上述氧化物薄膜材料制成。氧化物控制层3所采用的氧化物薄膜的氧空位形成能低于所述氧化物阻变层4采用的薄膜材料。

如图2a-2f所示，本发明还提供了一种氧化物电阻存储器件的制备方法，包括步骤：S1，利用热氧化的方法将SiO₂隔离介质层生长在单晶硅上，作为衬底；S2，利用溅射法在SiO₂/Si上制备Pt/Ti作为底电极；S3，利用反应溅射法制备氧化物控制层ZnO薄膜；S4，利用反应溅射法在ZnO上制备TiO₂薄膜；S5，利用反应溅射法制备TiN薄膜作为顶电极；S6，利用光刻和刻蚀的方法制备获得具有隔离结构的电阻存储器单元。其中TiO₂作为氧化物阻变层材料，选择ZnO作为氧化物控制层薄膜材料。TiO₂中氧空位形成能为4.2eV，而ZnO的氧空位形成能为3.3eV。为了进行器件性能比较，同时制备了没有ZnO氧化物控制层的TiN/TiO₂/Pt/Ti/SiO₂/Si电阻存储器件作为参考。利用Agilent4156C半导体参数分析测试仪测试了器件的电流-电压特性。在电压连续扫描模式下测试了该器件的电流-电压特性。图3示出了TiN/TiO₂/Pt和TiN/TiO₂/ZnO/Pt两种器件的高低电阻态随着转变次数增加的阻变稳定特性。可以发现增加ZnO氧化物控制层后，器件的阻变的循环耐久性得到提高。图4示出了TiN/TiO₂/Pt和TiN/TiO₂/ZnO/Pt两种器件经 过一定时间后在高阻态下的失效概率。特性测量在室温下进行。测量时首先通过直流电压扫描的方式将器件设置到高阻态，再用0.3V直流电压来读取各个器件的阻值。然后间隔一定的时间再次测量器件的电阻阻值大小。当发现器件电阻阻值由高阻态电阻值减小10倍时，认为器件失效。可以发现，在具有氧空位控制层的器件中，具有氧空位控制层的阻变器件相比没有氧化物控制层的阻变器件的失效概率降低，说明具有氧空位控制层的TiN/TiO₂/ZnO/Pt器件具有改善的数据保持特性。本实施例的衬底可以为Al₂O₃以及硼硅玻璃和石英玻璃等材料。导电薄膜材料也可以为金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、TiN、TaN、掺铌钛酸锶等。氧化物阻变层薄膜为HfO₂、TiO₂、NiO、ZrO₂、CeO₂和Fe₂O₃以及各种离子如Al³⁺、La³⁺和Gd³⁺离子掺杂的上述氧化物薄膜材料等氧化物材料。氧化物控制层薄膜为氧空位形成能比上述氧化物阻变层薄膜低的氧化物薄膜。氧化物材料制备方法不限于实施例中的方法，也包括其它的材料制备方法如原子层沉积法、化学气相沉积法等。

由以上实施例可以看出，本发明实施例的氧化物电阻存储器件与普通电阻存储器单元相比，在底电极和氧化物阻变层之间增加了一层氧化物控制层，该氧化物控制层在器件电形成之后将处于常通的状态，电阻的转变主要是发生在氧化物阻变层。利用氧化物控制层薄膜中低的氧空位形成能去调节氧化物阻变层的氧空位分布特性，从而改善氧化物电阻存储器的可靠特性。该器件制备工艺简单、性能可靠，提高了氧化物阻变存储器的阻变的循环耐久力，增强了其数据保持特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种氧化物电阻存储器件，其特征在于，包括衬底，位于所述衬底上的底电极，位于所述底电极上的氧化物控制层，位于所述氧化物控制层上的氧化物阻变层，以及位于所述氧化物阻变层上的顶电极。

2.如权利要求1所述的氧化物电阻存储器件，其特征在于，所述衬底选择材料为SiO₂/Si、Al₂O₃、硼硅玻璃或石英玻璃中的一种。

3.如权利要求1所述的氧化物电阻存储器件，其特征在于，所述顶电极采用薄膜材料铂/钛(Pt/Ti)、金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、TiN、TaN、掺铌钛酸锶中的任一种制成。

4.如权利要求1所述的氧化物电阻存储器件，其特征在于，所述底电极采用薄膜材料铂/钛(Pt/Ti)、金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、TiN、TaN、掺铌钛酸锶中的任一种制成。

5.如权利要求1所述的氧化物电阻存储器件，其特征在于，氧化物阻变层采用氧化物薄膜材料HfO₂、TiO₂、NiO、ZrO₂、CeO₂或Fe₂O₃以及各种离子掺杂的氧化物薄膜材料制成。

6.如权利要求1所述的氧化物电阻存储器件，其特征在于，氧化物控制层所采用的氧化物薄膜的氧空位形成能低于所述氧化物阻变层采用的薄膜材料。

7.一种氧化物电阻存储器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1，选择衬底材料作为衬底；

S2，在衬底上制备导电薄膜作为底电极；

S3，在底电极上制备氧化物控制层薄膜；

S4，在氧化物控制层薄膜上制备氧化物阻变层薄膜；

S5，在氧化物阻变层薄膜上制备导电薄膜作为顶电极；

S6，利用光刻、刻蚀工艺制备氧化物电阻存储器单元。

8.如权利要求7所述的氧化物电阻存储器件的制备方法，其特征在于，利用溅射法、原子层沉积法或者化学气相沉积法制备底电极、氧化物控制层、氧化物阻变层和顶电极。

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