CN102270739A - 一种含有快速开关器件的阻变型存储器单元及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种含有快速开关器件的阻变型存储器单元，其基本单元由下电极、阻变存储功能层、中间电极、开关器件功能层、上电极和绝缘层构成，两个功能层镶嵌在三个电极之间并形成五叠层结构，三个电极和两个功能层位于绝缘层的孔洞中。本发明的优点是：制备方法简单，制作成本低，有利于存储器的集成；能够为交叉阵列存储器提供开关器件，有效抑制读串扰；能够为交叉阵列存储器提供更高的电流密度，从而减少串联开关器件对存储器件的影响；在相同的电压下，开关器件提供的电流没有存储器发生复位（Reset）所需要的电流大，而且读取电压会在开关器件的开启电压后，使读取电压撤离0V附近，提高了读取的准确性。

Description

一种含有快速开关器件的阻变型存储器单元及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子制造及存储器技术领域，尤其涉及一种含有快速开关器件的阻变型存储器单元及其制备方法。

背景技术

随着计算机信息技术的发展，人们对信息的媒介及设备的要求也越来越高。特别是人们对便携式智能电子设备的小型化、高速化、低耗能及低价位的期望也越来越高。而半导体存储器在电子设备中的作用也越来越重要，近些年来存储器市场份额，特别是非挥发性存储器，也在不断的增加。存储器总的分为两大类：挥发性存储器和非挥发性存储器。挥发性存储器如计算机内存，以SRAM、DRAM为代表，他们有一个共同的特点是，存储单元的存储数据不能长期保持，需要持续的电源给刷新维持数据。非挥发性存储器如优盘，以Flash为代表，他的主要特点是存储器在存入数据后不需要外部电源持续供电就能长久保持数据。

虽然闪存(Flash)得到了广泛的认可与应用，但是其基于热电子效应和隧穿效应原理的数据写入方式需要高的操作电压，并且每次在数据写入之前都要先擦除，操作速度慢。最大的问题是随着半导体集成电路工艺节点的缩小，闪存器件在缩小过程中过薄的隧穿氧化层将导致电荷的泄露问题越来越严重，使得存储器的数据保持稳定性严重恶化。为此，科研和工业界一直在寻求一种能够取代闪存的非挥发性存储器。相变存储器（PCRAM）、阻变存储器（RRAM）、磁存储器（MRAM）、铁电存储器（FeRAM）等新一代存储器由于具有能够适应下一代存储器的要求而被广泛研究。

交叉阵列结构是最有希望应用于高密度存储器集成的阵列结构，采用交叉阵列结构的存储器在理论上具有最小的单位面积（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。但实际的交叉阵列结构在读取的过程中会遇到严重的串扰问题，以至于读取错误。解决串扰的方法有给每个存储器单元加选通三极管（1T1R），二极管（1D1R）等方法。其最根本的原理就是阻止了串扰电流的形成，从而实现了对确定单元的准确读取。借鉴于三星的的发明专利CN1815770，我们在试验中发现如果开关器件选用VO₂或V₂O₅材料并且在开关功能层和阻变存储层加入一层Pt电极，开关器件的开关速度能够达到6~16ns，并且VO₂的开关速度和阀值电压特性上要优于V₂O₅；Adv. Mater. 2007, 19, 3919–3923中运用NiO作为阻变存储层，试验发现利用权利要求书中所列的阻变存储材料都可以具有很好的阻变存储器特性，并且开关器件功能层可以用V₂O₅。本发明基于切断串扰电流的思路，以简单低成本的工艺构建了一个最简结构开关型选通器件来防止串扰发生的阻变型存储器，并提供了制备方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述crossbar存储阵列在数据读取时存在的串扰问题，提供一种制造工艺简单,制造成本低、能够防止串扰发生的含有快速开关器件的阻变型存储器单元及其制备方法。

本发明的技术方案： 

一种含有快速开关器件的阻变型存储器单元，其基本单元由下电极、阻变存储功能层、中间电极、开关器件功能层、上电极和绝缘层构成，两个功能层镶嵌在三个电极之间并形成五叠层结构，三个电极和两个功能层位于绝缘层的孔洞中，各层的厚度分别为：下电极5~30nm、阻变存储功能层20~200nm、中间电极5~30nm、开关器件功能层20~200nm、上电极5~30nm、绝缘层40~300nm。

所述下电极、中间电极和上电极的材料为Pt、Ag、Cu、W、Ti、Al、ITO、TiN、Ni或和多晶Si。

所述阻变存储功能层材料为TiO₂、ZnO、Al₂O₃、CuOx、ZrO₂、HfOx、PCMO、CoO、非晶硅。

所述开关器件功能层材料为VO₂或V₂O₅。

所述绝缘层材料为SiO₂。

一种所述含有快速开关器件的阻变型存储器单元的制备方法，步骤如下：

1）生长下电极与衬底的粘附层，然后生长下电极；

2）生长绝缘层，在绝缘层上刻蚀小孔，该小孔处在交叉阵列的字线（word-line）上，然后在绝缘层的小孔中生长阻变存储功能层；

3）在绝缘层的小孔中阻变存储功能层上生长中间电极；

4）在绝缘层的小孔中中间电极上生长开关器件功能层；

5）在开关器件功能层上生长上电极。

所述粘附层的厚度为1~10nm。

所述在绝缘介质层上刻蚀的小孔直径为30~200nm。

所述各层的生长方法为磁控离子束溅射法或电子束蒸发法。

本发明的技术分析：

功能层的厚度对功能层的电阻转变特性具有较大的影响，当厚度太小时，薄膜容易发生硬击穿，不再具有阻值转变特性；当厚度太大时，促使功能层发生转变的阀值电压较高，并且高厚度也不易于高密度集成的要求，不适合实际应用。综合考虑认为功能层薄膜厚度为20至200nm较为适宜。中间电极、上电极与电极之间的氧化钒薄膜形成快速开关，起到防止串扰发生的作用。开关器件开始处于高阻状态，通过施加一高于氧化钒薄膜的开启电压后，变成低阻态，从而可以选通特定存储器单元。

存储器单元中的快速开关部分处于低阻状态后，当所施加的电压低于一定电压后，又回到高阻状态。

存储器单元中的快速开关部分处于低阻态时是薄膜的局域性导通，随器件面积缩小时，开关器件的电流不显著减小，并且速度为6~16ns完全可以用于存储器单元的选通。

本发明的有益效果：

1）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）能够为交叉阵列存储器提供开关器件，有效抑制读串扰；

3）能够为交叉阵列存储器提供更高的电流密度，从而减少串联开关器件对存储器件的影响；

4）在相同的电压下，开关器件提供的电流没有存储器发生复位（Reset）所需要的电流大，而且读取电压会在开关器件的开启电压后，使读取电压撤离0V附近，提高了读取的准确性。

附图说明

图1是阻变存储器器件的电阻转变特性曲线图。

图2是存储器单元开关部分的I/V特性曲线图。

图3是带有开关器件的存储器单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，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3是实际制作的含有开关器件的阻变型存储器的结构示意图。整体结构为上电极，中间电极，下电极以及在三层电极间镶嵌的功能材料。整个器件制作在绝缘介质的孔洞中形成存储器单元。

实施例1：

一种含有快速开关器件的阻变型存储器单元的制备方法，步骤如下：

1）生长下电极与衬底的粘附层，然后生长下电极。具体为：在SiO_2-/Si上用离子束溅射法生长一层5nm厚的Ti金属膜作为第一层电极薄膜材料和衬底的粘附层，在Ti金属膜上生长20nm的第一层Pt电极薄膜材料。

2）生长绝缘层，在绝缘层上刻蚀小孔，该小孔处在字线（word-line）上，然后在绝缘层的小孔中生长阻变存储功能层。具体为：在第一层电极薄膜材料上用磁控溅射法直接溅射SiO₂陶瓷靶生长SiO₂绝缘介质层300nm，在绝缘介质层上刻蚀直径为100nm的小孔，完成存储器外部框架的制备电极分别用磁控溅射沉积制备。

在完成上述步骤后，采用高纯Ti靶（99.99%），进行磁控反应溅射，O₂(纯度为99.99%)作为氧化气体，用Ar气(纯度为99.999%)作为工作气体，本底真空10^-5Pa，反应压力0.5Pa，O₂：Ar=5：45，溅射功率120W，温度采用室温，生长100nm厚的TiO₂薄膜。然后在真空优于4×10^-3 Pa，温度为800℃下，氮气或氧气气氛下对样品进行30min的退火处理。

3）在绝缘层的小孔中阻变存储功能层上生长中间电极。具体为：在TiO₂薄膜上用磁控溅射法生长一层30nm厚的Pt层作为中间电极，完成存储器单元的阻变数据存储部分的制作。

4）在绝缘层的小孔中中间电极上生长开关器件功能层。具体为：用超高真空磁控离子束联合溅射系统，溅射V₂O₅陶瓷靶，本底真空度为5×10^-4Pa，靶基距为80mm，溅射工作压强为1Pa，Ar气流速为30sccm，功率为80w，衬底温度为400℃，溅射100分钟，得到的氧化钒薄膜经350℃真空退火90分钟后制得100nm后的开关功能层薄膜。

5）在开关器件功能层上生长上电极。具体为：在开关功能层上用磁控溅射法溅射20nm的Pt形成上电极。

实施例2：

一种含有快速开关器件的阻变型存储器单元的制备方法，步骤如下：

1）生长下电极与衬底的粘附层，然后生长下电极。具体为：在SiO_2-/Si上用离子束溅射法生长一层5nm厚的Ti金属膜作为第一层电极薄膜材料和衬底的粘附层，在Ti金属膜上生长20nm的第一层Cu电极薄膜材料。

2）生长绝缘层，在绝缘层上刻蚀小孔，该小孔处在字线（word-line）上，然后在绝缘层的小孔中生长阻变存储功能层。具体为：在第一层电极薄膜材料上用磁控溅射法直接溅射SiO₂陶瓷靶生长SiO₂绝缘介质层300nm，在绝缘介质层上刻蚀直径为100nm的小孔，完成存储器外部框架的制备电极分别用磁控溅射沉积制备。

在完成上述步骤后，采用高纯ZnO陶瓷靶，进行磁控溅射，O₂(纯度为99.99%)作为氧化气体，用Ar气(纯度为99.999%)作为工作气体，本底真空10^-5Pa，反应压力0.5Pa，O₂：Ar=5：45，溅射功率200W，温度采用室温，生长100nm厚的ZnO薄膜。然后在真空优于4×10^-3 Pa，温度为400℃下，氮气或氧气气氛下对样品进行30min的退火处理。

3）在绝缘层的小孔中阻变存储功能层上生长中间电极。具体为：在ZnO薄膜上用磁控溅射法生长一层30nm厚的Pt层作为中间电极，完成存储器单元的阻变数据存储部分的制作。

4）在绝缘层的小孔中中间电极上生长开关器件功能层。具体为：用超高真空磁控离子束联合溅射系统，溅射V₂O₅陶瓷靶，本底真空度为5×10^-4Pa，靶基距为80mm，溅射工作压强为1Pa，Ar气流速为30sccm，功率为80w，衬底温度为400℃，溅射100分钟，得到的氧化钒薄膜经350℃真空退火90分钟后制得100nm后的开关功能层薄膜。

5）在开关器件功能层上生长上电极。具体为：在开关功能层上用磁控溅射法溅射20nm的Pt形成上电极。

实施例3：

一种含有快速开关器件的阻变型存储器单元的制备方法，步骤如下：

1）生长下电极与衬底的粘附层，然后生长下电极。具体为：在SiO_2-/Si上用离子束溅射法生长一层5nm厚的Ti金属膜作为第一层电极薄膜材料和衬底的粘附层，在Ti金属膜上生长20nm的第一层Cu电极薄膜材料。

2）生长绝缘层，在绝缘层上刻蚀小孔，该小孔处在字线（word-line）上，然后在绝缘层的小孔中生长阻变存储功能层。具体为：在第一层电极薄膜材料上用磁控溅射法直接溅射SiO₂陶瓷靶生长SiO₂绝缘介质层300nm，在绝缘介质层上刻蚀直径为100nm的小孔，完成存储器外部框架的制备电极分别用磁控溅射沉积制备。

在完成上述步骤后，采用高纯Al靶，进行反应磁控溅射，O₂(纯度为99.99%)作为氧化气体，用Ar气(纯度为99.999%)作为工作气体，本底真空10^-5Pa，反应压力1Pa，O₂：Ar=5：45，溅射功率150W，温度采用室温，生长100nm厚的Al₂O₃薄膜。然后在真空优于4×10^-3 Pa，温度为300℃下，氮气或氧气气氛下对样品进行30min的退火处理。

3）在绝缘层的小孔中阻变存储功能层上生长中间电极。具体为：在Al₂O₃薄膜上用磁控溅射法生长一层30nm厚的Pt层作为中间电极，完成存储器单元的阻变数据存储部分的制作。

4）在绝缘层的小孔中中间电极上生长开关器件功能层。具体为：在中间电极上溅射开关功能层，具体步骤如下，用超高真空磁控离子束联合溅射系统，溅射V₂O₅陶瓷靶，本底真空度为5×10^-4Pa，靶基距为80mm，溅射工作压强为1Pa，Ar气流速为30sccm，功率为80w，衬底温度为400℃，溅射100分钟，得到的氧化钒薄膜经350℃真空退火90分钟后制得100nm后的开关功能层薄膜。

5）在开关器件功能层上生长上电极。具体为：在开关功能层上用磁控溅射法溅射20nm的Pt形成上电极。

图1是典型的双极型阻变存储器的I/V特性曲线示意图，由图中可以看出，阻变存储器在正向电压下发生由高阻态向低阻态的转变（SET），在负向低压下发生由低阻态向高阻态的转变（RESET）。

图2是实际制作的存储器单元开关部分的I/V特性曲线示意图，阀值电压为0.6V，当开关器件两端的电压超过0.6V时，开关器件处于导通状态，并且在高于0.3V的保持电压下均为导通状态，因此读取电压可以在0.3~0.6V范围内，此电压范围在开关器件打开状态保持电压和开关器件打开状态阀值电压之，因此在此电压范围内读取数据既不会开启其他单元的开关器件还能读取本单元的数据。由此有效的抑制串扰，避免误读发生。在相同的电压下，开关器件提供的电流没有存储器发生复位（Reset）所需要的电流大，而且读取电压会在开关器件的开启电压后，使读取电压撤离0V附近，提高了读取的准确性。

通过测试发现，所制备的开关器件的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，为阻变存储器单元提供足够大的电流减少串联开关器件对存储单元的影响，抑制串扰，减少误读；而且开关器件的开关速度在6~16ns范围内，足以满足高的读取速度的要求。

由上述可知，本发明的实施例中，通过制备良好开关性能的快速开关器件并与阻变存储单元串联形成的含有快速开关的阻变型存储器单元，有效的改善了阻变存储器交叉阵列结构中读操作的串扰现象，减少误读，便于存储器和外围电路的集成。

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，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种含有快速开关器件的阻变型存储器单元，其特征在于：基本单元由下电极、阻变存储功能层、中间电极、开关器件功能层、上电极和绝缘层构成，两个功能层镶嵌在三个电极之间并形成五叠层结构，三个电极和两个功能层位于绝缘层的孔洞中，各层的厚度分别为：下电极5~30nm、阻变存储功能层20~200nm、中间电极5~30nm、开关器件功能层20~200nm、上电极5~30nm、绝缘层40~300nm。

2.根据权利要求1所述含有快速开关器件的阻变型存储器单元，其特征在于：所述下电极、中间电极和上电极的材料为Pt、Ag、Cu、W、Ti、Al、ITO、TiN、Ni或和多晶Si。

3.根据权利要求1所述含有快速开关器件的阻变型存储器单元，其特征在于：所述阻变存储功能层材料为TiO₂、ZnO、Al₂O₃、CuOx、ZrO₂、HfOx、PCMO、CoO、非晶硅。

4.根据权利要求1所述含有快速开关器件的阻变型存储器单元，其特征在于：所述开关器件功能层材料为VO₂或V₂O₅。

5.根据权利要求1所述含有快速开关器件的阻变型存储器单元，其特征在于：所述绝缘层材料为SiO₂。

6.一种如权利要求1所述含有快速开关器件的阻变型存储器单元的制备方法，其特征在于步骤如下：

1）生长下电极与衬底的粘附层，然后生长下电极；

2）生长绝缘层，在绝缘层上刻蚀小孔，该小孔处在交叉阵列的字线（word-line）上，然后在绝缘层的小孔中生长阻变存储功能层；

3）在绝缘层的小孔中阻变存储功能层上生长中间电极；

4）在绝缘层的小孔中中间电极上生长开关器件功能层；

5）在开关器件功能层上生长上电极。

7.根据权利要求6所述含有快速开关器件的阻变型存储器单元的制备方法，其特征在于：所述粘附层的厚度为1~10nm。

8.根据权利要求6所述含有快速开关器件的阻变型存储器单元的制备方法，其特征在于：所述在绝缘介质层上刻蚀的小孔直径为30~200nm。

9.根据权利要求6所述含有快速开关器件的阻变型存储器单元的制备方法，其特征在于：所述各层的生长方法为磁控离子束溅射法或电子束蒸发法。

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