CN102610746A - 非挥发性电阻转变存储器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非挥发性电阻转变存储器包括下电极；在所述下电极上形成的介质层；形成于所述介质层上的阻挡层；以及形成于所述阻挡层上的上电极。本发明提供的非挥发性电阻转变存储器，能避免电极元素与固态电解质之间的离子交换，防止构成导电通道的细丝自发的形成和破灭，提高电阻转变存储器的数据保持能力。

Description

非挥发性电阻转变存储器

技术领域

本发明属于半导体器件领域，尤其涉及一种非挥发性电阻转变存储器。

背景技术

在半导体市场中，存储器所占的份额在40％以上。由于便携式电子设备的不断普及，非挥发存储器(NVM)的市场需求迅速增长。闪存(FLASH)是目前非挥发存储器市场上的主流器件。但随着微电子技术节点不断向前推进，基于电荷存储机制的闪存技术遭遇诸如隧穿层不能随技术发展无限减薄以及与嵌入式系统集成等严重的技术瓶颈，迫使人们寻求下一代新型非挥发存储器。电阻随机存储器(Resistive Random Access Memory)因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、擦写速度快和极佳的尺寸缩小性等优势，并且其材料与当前CMOS工艺兼容等特点引起高度关注。其中基于固态电解液材料的电阻转变存储器更是受到广泛研究。但是目前的电阻转变存储器普遍存在数据保持特性较差和反复擦写能力较低，耐受性不强的缺点。下面结合图1至图3是分别对基于固态电解液体系的电阻转变存储器的I-V特性、结构及发生反应的模型进行的说明。其中，图1表示出初始阻态为高电阻时的置位状态以及初始阻态为低电阻时的复位状态，电压扫描方向如图1中箭头所示，置位时电压扫描图线为101；复位时电压扫描图线为102。基于固态电解液体系的电阻转变存储器分为两个大类，一类是基于金属细丝的电阻转变存储器；另一类是基于氧空位的电阻转变存储器。如图2所示，基于金属细丝的固态电解质电阻转变现象产生的原因是利用固态电解质薄膜中的金属离子在正偏压下发生还原反应，以电沉积的方式形成导电路径；反偏压下此导电路径会发生氧化反应而断开从而使器件在低、高阻态之间变化。通常是由固态电解质夹在铜、金等金属元素电极和铂、镍、钨等惰性电极之间构成。而另一类基于氧空位机制的电阻转变存储器，则是由氮化钛、钛等易吸氧的金属电极从氧化物薄膜中夺取氧元素，形成“氧池”，从而提供氧离子，利用氧空位构成的导电通道的形成和破灭来达到实现电阻转变的目的。在外加偏压作用下，基于固态电解质体系的电阻转变存储器电阻由较高阻态突变到一个较低阻态，称作置位。而在反偏压作用下，电阻由较低阻态突变到一个较高阻态，称作复位。图3是针对固态电解质体系的电阻转变存储器发生反应的模型，阳极过程就是金属的阳极氧化溶解过程(M＝Mⁿ⁺+ne^-)，阴极过程就是金属的还原电沉积过程(Mⁿ⁺+ne^-＝M)。电极反应实际上包含了金属离子的阴极还原和新生态金属原子在电极表面的结晶过程，而在固态电解质中的传递过程则包含了电迁移扩散和散射的作用。

发明内容

本发明的目的之一是为了提供一种数据保持特性较好和反复擦写能力较强，耐受性强的非挥发性电阻转变存储器。

根据本发明的一个方面提供一种非挥发性电阻转变存储器包括：

下电极；

在所述下电极上形成的介质层；

以及形成于所述介质层上的阻挡层；

以及形成于所述阻挡层上的上电极。

本发明提供的非挥发性电阻转变存储器，能避免电极元素与固态电解质之间的离子交换，防止构成导电通道的细丝自发的形成和破灭，提高电阻转变存储器的数据保持能力。

附图说明

图1为现有电阻存储单元在电压扫描方式时得到的电流电压特性曲线的示意图。

图2为现有基于固态电解液体系的电阻转变存储单元的结构示意图。

图3为现有基于固态电解液体系的电阻转变存储单元的电阻转变过程的示意图。

图4为现有基于固态电解液体系的电阻转变存储单元在固态电解质中形成的细丝自发与电极发生交互反应，导致细丝破灭从而器件从低阻变为高阻的示意图。

图5为现有基于固态电解液体系的电阻转变存储单元在固态电解质中形成的细丝自发与电极发生交互反应，导致细丝形成从而器件从高阻变为低阻的示意图。

图6为本发明实施例提供的非挥发性电阻转变存储器的结构示意图。

具体实施方式

如果电阻存储单元的电极为氮化钛等具有较强吸氧能力的电极，电极会从发生电阻转变的氧化层中夺取氧元素形成可提供氧的“氧池”，通过外加偏压使得氧空位形成了导电通道，而在反向偏压的作用下，基于氧空位的细丝发生破灭，从而使得电阻存储单元的阻值大小在高阻和低阻两种状态之间交替转换。下面结合图4、图5对这种情况进行说明。

图4是基于金属细丝固态电解质体系的电阻转变存储器失效的示意图。当构成细丝通道的金属元素连接的上下电极形成通路时，电阻转变存储器就处于低阻状态。此时如果不继续对该器件进行编程和擦除操作，希望一直保持低阻状态的数据，可能会因为电解质内部自发移动使得通道打断，电阻转变存储器就会从低阻状态变为高阻状态。

图5是基于金属细丝固态电解质体系的电阻转变存储器失效的示意图。当电解质内部的金属离子并未形成细丝通道连接上下电极时，器件就处于高阻状态，此时如果不继续对该器件进行编程和擦除操作，希望一直保持高阻状态的数据，可能会因为电解质内部自发移动，形成由金属离子构成的细丝通道，器件就会从高阻状态变为低阻状态。

由图4和图5所示，由于固态电解质薄膜中的金属离子来源于电极材料的移动，或者针对氧空位类型的器件来源于电极与氧化物薄膜发生反应形成的“氧池”，所以器件连通上下电极，从而改变电阻状态的金属细丝会与电极自发的发生反应导致器件失效。图4是在电阻存储单元处于低阻态时，由于固态电解质中的细丝与电极材料自发的发生了反应，从而导致通道的破灭，使得器件保持低阻数据的能力受到影响。图5则是电阻存储单元处于高阻态时，由于电极材料中的原子扩散，自发形成了细丝，导致通道的连通，器件保持高阻数据的能力受到了影响。由于电极材料与固态电解质薄膜中离子自发的反应，也会导致器件反复擦写的能力受到影响。

针对图4、图5所存在的问题，本发明实施例提出一种非挥发性电阻转变存储器包括下电极、在所述下电极上形成的介质层、形成于所述介质层上的阻挡层以及形成于所述阻挡层上的上电极。其中，下电极材料是由惰性电极材料构成。惰性材料包括铂、镍、钨等。介质层包括硫族化物、二元氧化物或多元氧化物。硫族化物包括AgGe_xSe_1-x、AgGeS、CuGeS、AgZn_xCd_1-x、CuI_0.76S_0.14或Cu₂Se等。二元氧化物包括锆的氧化物、铪的氧化物、钛的氧化物、铝的氧化物、铜的氧化物、镍的氧化物、锌的氧化物或锰的氧化物等。多元氧化物包括Pr_1-xCa_xMnO₃或SrZrO₃等。介质层还包括CuWO_x、CuSiO_x、AgI、AgSb_xTe_1-x或(Ag₂S)_x(As₂S₃)_1-x等。阻挡层是指具有低电阻率且与上下界面不会发生反应的介质层。阻挡层的材料包括锑化钛、氧化钛或氧化钽。上电极的材料包括金属电极材料或者具有较强吸氧能力的电极材料。上电极是指铜、金等金属电极或者氮化钛、钛等具有较强吸氧能力的电极材料。

与传统固态电解质材料不同的是，本发明在提供离子源的电极与发生电阻转变的介质层中加入了一层阻挡层，该阻挡层应具有低的电阻率，并与上下界面不会发生反应从而影响电阻转变过程，比如锑化钛等，该阻挡层有效地避免了电极材料与固态电解质薄膜中离子的自发反应。使得器件不会出现意外的从高阻值变为低阻值或者相反方向的变化，大大提高了器件数据保持的能力和反复擦写的能力，从而提高了器件的可靠度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非挥发性电阻转变存储器，其特征在于，包括：

下电极；

在所述下电极上形成的介质层；

形成于所述介质层上的阻挡层；以及

形成于所述阻挡层上的上电极。

2.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于：

所述下电极材料是由惰性电极材料构成。

3.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于：

所述介质层的材料包括硫族化物、二元氧化物或多元氧化物。

4.根据权利要求3所述的存储器，其特征在于：

所述硫族化物包括AgGe_xSe_1-x、AgGeS、CuGeS、AgZn_xCd_1-x、CuI_0.76S_0.14或Cu₂Se。

5.根据权利要求3所述的存储器，其特征在于：

所述二元氧化物包括锆的氧化物、铪的氧化物、钛的氧化物、铝的氧化物、铜的氧化物、镍的氧化物、锌的氧化物或锰的氧化物。

6.根据权利要求3所述的存储器，其特征在于：

所述多元氧化物包括Pr_1-xCa_xMnO₃或SrZrO₃。

7.根据权利要求3所述的存储器，其特征在于：

所述介质层的材料还包括CuWO_x、CuSiO_x、AgI、AgSb_xTe_1-x或(Ag₂S)_x(As₂S₃)_1-x。

8.根据权利要求1至7任一项所述的存储器，其特征在于：

所述阻挡层是指具有低电阻率且与上下界面不会发生反应的介质层。

9.根据权利要求8所述的存储器，其特征在于：

所述阻挡层的材料包括锑化钛、氧化钛或氧化钽。

10.根据权利要求1至7任一项所述的存储器，其特征在于：

所述上电极的材料包括金属电极材料或者具有较强吸氧能力的电极材料。

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