CN105336852B - 带有自整流效应的rram存储单元结构及其制备方法 - Google Patents

带有自整流效应的rram存储单元结构及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105336852B
CN105336852B CN201510916099.4A CN201510916099A CN105336852B CN 105336852 B CN105336852 B CN 105336852B CN 201510916099 A CN201510916099 A CN 201510916099A CN 105336852 B CN105336852 B CN 105336852B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
self
memory cell
rectification
cell structures
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201510916099.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105336852A (zh
Inventor
马海力
冯洁
陈小荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN201510916099.4A priority Critical patent/CN105336852B/zh
Publication of CN105336852A publication Critical patent/CN105336852A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105336852B publication Critical patent/CN105336852B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices without a potential-jump barrier or surface barrier, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices without a potential-jump barrier or surface barrier, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices

Abstract

本发明公开了一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构及其制备方法，该RRAM存储单元结构包括衬底、下电极、阻变层、整流层以及上电极，所述下电极位于所述衬底之上，所述阻变层设置在所述下电极上，所述整流层设置在所述阻变层上，所述上电极，设置在所述整流层上，通过本发明，实现了直接利用具有较低功函数的过渡族金属铪(Hf)作为下电极的自整流RRAM存储单元新结构，同时本发明仅利用磁控溅射和氧等离子体氧化法便能方便、快速地制备出具有一定整流比的氧化物RRAM存储单元。

Description

带有自整流效应的RRAM存储单元结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种阻变存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM)技术领域，特别涉及一种带有自整流效应且无需Forming过程的RRAM存储单元结构及其制备方法。
背景技术
随着便携式电子设备的不断普及，非挥发存储器(Nonvolatile Memory)在整个存储器市场上所占的份额越来越大。目前，市场上主流的非挥发存储器技术是基于电荷存储机制的“闪存”(flash)存储器件,但是由于这类存储器存在诸如操作电压大、速度慢等缺点，同时，由于器件尺寸缩小过程中隧穿氧化层的减薄容易导致数据保持性能的恶化，使得这类存储器很快将达到物理极限。面临这样的挑战，人们提出了多种基于电阻值变化作为信息存储方式的新型非挥发存储技术，它们包括：磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)等。其中，RRAM具有操作电压低、操作速度快、保持时间长、非破坏性读取、可多值存储、结构简单以及与CMOS工艺兼容等诸多优点，被人们看作是未来最有可能取代闪存的新型存储技术。
为了进一步缩小器件尺寸，提高存储密度，有人在平面二维集成方式的基础提出了3D堆叠(Crossbar)的概念，即将传统存储单元的平铺结构变为三维垂直结构，就像建造摩天楼一样一层一层堆叠起来。这种3D堆叠方式的好处在于：只要增加堆叠层数，就能成倍地提高存储密度(4F2/N，N为堆叠层数)。但由于无源交叉阵列的自身特点，在3D堆叠过程中，难以避免串扰(Crosstalk)误读现象的发生。过去，为了解决Crossbar结构中的串扰问题，人们主要提出了两种解决方案。其中一种方法是在阻变单元的基础上直接串联一个非线性装置，如晶体管、二极管、双向选择器等。虽然这种方法非常有效，但它不可避免地增加了工艺难度，而且由于外部装置的引入，常常导致存储器的操作电压变高，而且会恶化器件的稳定性；另外一种解决方案则是将两个具有相似结构的双极型阻变单元通过同一电极背靠背连接起来，组成互补型电阻转变单元(Complementary Resistive Switch,CRS)，这种结构体系相对较为复杂。
近年来人们把精力转而集中在制备结构简单且带有自整流效应的阻变单元上，如金属-绝缘体-金属(MIM)型或金属-绝缘体-绝缘体-金属(MIIM)型。但在所报道的大部分MIM型结构中，其操作电流普遍偏高，一般维持在103～104A范围内(如文献：Gao,S.,etal.Nanoscale 7(14):6031-6038.(2015)和Qing,Y.Z.,et al.Journal of AppliedPhysics 7(106):073724-073729.(2009))，这将不利于降低存储器的操作能耗。为此，寻找一种结构简单，低操作电流的自整流存储单元结构显得尤为重要。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种结构简单的带有自整流效应的RRAM存储单元结构及其制备方法，其实现了直接利用具有较低功函数(3.9eV)的过渡族金属铪(Hf)作下电极且无需Forming过程的自整流RRAM存储单元新结构。
本发明之另一目的在于提供一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构及其制备方法，其仅利用磁控溅射和氧等离子体氧化法便能方便、快速制备出具有一定整流比(～102)的氧化物RRAM存储单元。
为达上述目的，本发明提出一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构，该RRAM存储单元结构包括衬底、下电极、阻变层、整流层以及上电极，所述下电极位于所述衬底之上，所述阻变层设置在所述下电极上，所述整流层设置在所述阻变层上，所述上电极，设置在所述整流层上。
进一步地，所述的衬底为表面氧化的硅片。
进一步地，所述的下电极为过渡族金属Hf，其裸露部分用惰性金属盖住以防氧化。
进一步地，所述阻变层为HfOx，经过渡族金属Hf氧等离子体氧化得到，其厚度为1-10nm。
进一步地，所述整流层为TaOx或禁带宽度小于氧化铪的过渡金属氧化物，其通过磁控反应溅射获得，厚度为10～100nm。TaOx层的厚度控制同样十分关键。
进一步地，所述上电极为惰性金属。
为达到上述目的，本发明还提供一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，在衬底上，利用DC磁控溅射沉积一层过渡族金属；
步骤二，预留一部分过渡族金属作下电极，并用惰性金属盖住以防氧化；
步骤三，对其余部分表面进行氧等离子体氧化，形成阻变层；
步骤四，在所述阻变层上利用Ta靶通过磁控反应溅射沉积一层整流层；
步骤五，利用掩膜版于所述整流层上完成上电极制备。
进一步地，于步骤一中，该过渡族金属为过渡族金属Hf。
进一步地，于步骤四中，溅射过程在室温下进行。
进一步地，于步骤五中，所述上电极为惰性金属Pt。
与现有技术相比，本发明一种带有自整流效应带有自整流效应的RRAM存储单元结构及其制备方法根据自整流RRAM器件的设计原理，实现了一种直接利用具有较低功函数(3.9eV)的过渡族金属铪(Hf)作下电极且无需Forming过程的自整流RRAM存储单元新结构，同时本发明仅利用磁控溅射和氧等离子体氧化法便能方便、快速地制备出具有一定整流比(～102)的氧化物RRAM存储单元。
附图说明
图1为本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的结构示意图；
图2为本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法的步骤流程图；
图3为本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的半对数I-V曲线图(插图为线性坐标下的I-V曲线)；
图4为本发明带有自整流效应的RRAM存储单元的机理简图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的结构示意图。如图1所示，本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构包括衬底101、下电极102、阻变层103、整流层104和上电极105。
下电极102位于衬底101上，下电极102的裸露部分用Pt(铂)盖住(防止氧化)，经氧等离子体氧化后的阻变层103位于102之上，整流层104由磁控反应溅射以及氧等离子体氧化完成，被置于阻变层103之上，最后在整流层104之上完成上电极105的沉积。
衬底101选用表面氧化的硅片。
上下电极(105和102)分别选用Pt(铂)和Hf(铪)，工艺参数各为：Hf层厚度20～100nm，真空度5.6×10-5Pa，Ar流量10～20sccm，功率40～150w；Pt层厚度20～100nm，真空度5.6×10-5Pa，Ar流量10～20sccm，功率40～150w。
阻变层103为Hf(102)经氧等离子体氧化后的HfOx层，氧化功率20～90w，氧化时间500～2500s，O2流量8～30sccm。经研究发现：制备HfOx层的氧化时间只有控制在适当范围内(900s～2000s)，即保证HfOx层的厚度在1-10nm之间，才能使整个自整流存储单元顺利地完成阻变过程，过长的氧化时间会导致器件不能set，过短的氧化时间会导致器件不能reset。
整流层104为TaOx，厚度10～100nm，采用纯度99.95％的Ta作为靶材，通过反应溅射沉积而成，溅射条件如下：真空度5.6×10-5Pa，O/Ar比0.1～0.9，功率40～150w，衬底温度室温，腔内气压为0.2～0.4Pa。研究表明：只有当TaOx层的厚度维持在一定范围内(10～100nm)，才能保证整个自整流存储单元顺利完成阻变过程的同时实现整流特性，过薄的TaOx层不足以起到整流作用，而过厚的TaOx层将导致操作电压大幅增加，甚至导致阻变窗口消失。
图2为本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法的步骤流程图。如图2所述，本发明一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤201，利用DC磁控溅射在衬底101上溅射一层金属Hf(铪)。
步骤202，留出适当大小的区域作下电极，其余部分的Hf(铪)用铝箔遮盖住，利用DC磁控溅射沉积一层Pt(铂)将下电极102保护住。
步骤203，对裸露的Hf(铪)进行氧等离子体氧化，形成阻变层103。
步骤204，在阻变层(HfOx)103上利用磁控反应溅射沉积一层整流层(TaOx)104，溅射在室温下进行。
步骤205，利用掩模板，通过DC磁控溅射于整流层104完成上电极105(Pt)沉积，上电极直径为：0.1～0.4mm，厚度50nm。
利用Keithley 4200半导体参数仪测试上述方法制得的自整流RRAM存储单元的电流-电压(I-V)特性。测试时正反偏压均加至上电极，而下电极始终接地。I-V测试结果参见图3。该自整流RRAM存储单元初始电阻均为高阻态，～109Ω。该存储单元的电阻转变无需Forming过程，电压扫描顺序始终为：0→5→0→3.5→0V，测试时设定了适当的限制电流(Icc)来防止器件永久性击穿。当电压扫至-5V时候，器件变为LRS态，完成Set过程，而当电压扫描至-3.5V时，器件的阻值又由LRS态回到HRS态，完成Reset过程。从图3可以看出，该存储单元在表现出电阻变化(高低阻比值～103)的同时，还在LRS态时出现整流现象，即I-V曲线在LRS态时出现左右不对称的情形，在0.5V(读电压)时，其整流比达～102。值得注意的是，在重复上述电压扫描顺序的过程中，本发明存储单元表现出了优良的稳定性。上述的自整流特性将为解决Crossbar结构中的串扰问题提供有益帮助。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明根据自整流RRAM器件的设计原理，提出了一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构，即，Pt/TaOx/HfOx/Hf，该结构使用高功函数(Pt:5.65eV)和低功函数(Hf:3.9eV)金属分别作为上下电极，并结合两种不同禁带宽度的氧化物，TaOx(4.0eV)和HfOx(5.7eV)，在Pt/TaOx界面处形成肖特基势垒，同时在TaOx/HfOx界面处由于两者禁带宽度的不同形成势垒，从而有效抑制了反向串扰电流。而在HfOx/Hf界面处保持欧姆连接，这样的结构设计，在成功实现高阻变窗口的同时成功实现了存储单元的整流特性。
2)对一部分下电极Hf直接进行氧等离子体氧化，一定深度范围内会形成HfOx。由于底层Hf金属的高亲氧性，会使得HfOx中的氧离子呈一定的梯度分布；而TaOx层的存在，会向“Reservoir”一样起到贮留和释放来自TaOx/HfOx界面处氧离子的作用(加偏压情况下)，这有利于阻变过程的顺利完成。
整个存储单元的电阻转变以及LRS态时的整流特性可能由以下原因导致：加偏压时，TaOx/HfOx界面处氧空位数量的变化以及氧空位对电子的俘获或释放，会改变界面处的势垒宽度。初始电阻为高阻态的器件，在正偏压情况下，氧离子向TaOx一侧迁移，TaOx/HfOx界面处会形成一定数量的氧空位，大量氧空位的存在会削弱此界面处的势垒，同时，氧空位所形成的缺陷能级会对电子进行俘获。当正向电压继续增大，缺陷能级被电子填满后，由电极注入的电荷成为了自由移动的载流子，在电场作用下容易隧穿过TaOx/HfOx界面处的势垒，直接进入TaOx的导带(TaOx的禁带宽度小于HfOx)，使流经器件的电流急剧增大，此时整个器件转变为LRS态；负偏压情况下，被氧空位缺陷能级俘获的电子重新得以释放，加之TaOx/HfOx界面处的氧空位数量减少(由于氧离子的迁回)，使得此界面处势垒的隧穿宽度变宽，它与Pt/TaOx界面处的肖特基势垒一道共同阻挡着电子的注入，此时整个器件重新回到HRS态，具体参见图4。
3)室温下制备的TaOx层呈非晶态，一定厚度绝缘态TaOx层(10-100nm)的存在为负偏压时阻挡电子注入，减少反向漏电流同样提供了帮助。
4)该存储单元结构在直流电压连续扫描激励下，表现出了优异的高低阻态之间的转变和稳定记忆特性，其操作电流(Iset和Ireset)非常低，分别维持在10-6和10-8A量级；而操作电压(Vset和Vreset)相对适中，分别为：～4.5V和-3.5V；同时，其高低电阻间的差值大于103，能够满足电路识别的需求。诸性能指标表明：该自整流存储单元结构操作能耗低，性能可靠，能够运用于交叉阵列中有效地抑制串扰，避免误读现象的发生。
5)本发明所选用的制备工艺简单，成本低廉，易于操作，适合高效地制备具有优异性能的自整流RRAM存储单元。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构，其特征在于：该RRAM存储单元结构包括衬底、下电极、阻变层、整流层以及上电极，所述下电极位于所述衬底之上，所述阻变层设置在所述下电极上，所述整流层设置在所述阻变层上，所述上电极，设置在所述整流层上；所述的下电极为过渡族金属Hf，所述阻变层由下电极进行氧等离子体氧化形成。
2.如权利要求1所述的一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构，其特征在于：所述的衬底为表面氧化的硅片。
3.如权利要求2所述的一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构，其特征在于：所述的下电极为过渡族金属Hf，其裸露部分用惰性金属盖住以防氧化。
4.如权利要求3所述的一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构，其特征在于：所述阻变层为HfOx，经过渡族金属Hf直接氧等离子体氧化得到，其厚度为1-10nm。
5.如权利要求4所述的一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构，其特征在于：所述整流层为TaOx或禁带宽度小于HfOx的过渡金属氧化物，厚度为10～100nm。
6.如权利要求5所述的一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构，其特征在于：所述上电极为惰性金属。
7.一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，在衬底上，利用DC磁控溅射沉积一层过渡族金属；
步骤二，预留一部分过渡族金属作下电极，并用惰性金属或适当材料盖住以防氧化；
步骤三，对其余部分表面进行氧等离子体氧化，形成阻变层；
步骤四，在所述阻变层上利用Ta靶通过磁控反应溅射沉积一层整流层；
步骤五，利用掩膜版于所述整流层上完成上电极制备。
8.如权利要求7所述的一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法，其特征在于：于步骤一中，该过渡族金属为过渡族金属Hf。
9.如权利要求7所述的一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法，其特征在于：于步骤四中，溅射过程在室温下进行。
10.如权利要求7所述的一种带有自整流效应的RRAM存储单元结构的制备方法，其特征在于：于步骤五中，所述上电极为惰性金属。
CN201510916099.4A 2015-12-10 2015-12-10 带有自整流效应的rram存储单元结构及其制备方法 Expired - Fee Related CN105336852B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510916099.4A CN105336852B (zh) 2015-12-10 2015-12-10 带有自整流效应的rram存储单元结构及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510916099.4A CN105336852B (zh) 2015-12-10 2015-12-10 带有自整流效应的rram存储单元结构及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105336852A CN105336852A (zh) 2016-02-17
CN105336852B true CN105336852B (zh) 2018-05-01

Family

ID=55287260

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510916099.4A Expired - Fee Related CN105336852B (zh) 2015-12-10 2015-12-10 带有自整流效应的rram存储单元结构及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105336852B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105870321B (zh) * 2016-03-28 2019-03-08 北京大学 一种非线性自整流阻变存储器及其制备方法
CN109888091B (zh) * 2019-03-01 2023-12-01 上海华力微电子有限公司 一种形成随机存储器层的方法
CN113517397B (zh) * 2021-06-08 2022-08-16 华中科技大学 一种双极选通忆阻器的制备方法及双极选通忆阻器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103633242B (zh) * 2012-08-28 2016-01-13 中国科学院微电子研究所 一种具有自整流特性的阻变存储器及其制备方法
US9059391B2 (en) * 2012-12-10 2015-06-16 Winbond Electronics Corp. Self-rectifying RRAM cell structure and 3D crossbar array architecture thereof
EP2814073B1 (en) * 2013-06-14 2017-02-15 IMEC vzw Self-rectifying RRAM element

Also Published As

Publication number Publication date
CN105336852A (zh) 2016-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8665631B2 (en) Resistive random memory cell and memory
Gao et al. Forming-free and self-rectifying resistive switching of the simple Pt/TaO x/n-Si structure for access device-free high-density memory application
CN102683583B (zh) 单极阻变存储器及其制造方法
CN102903845B (zh) 一种阻变存储器及其制备方法
CN104485418A (zh) 一种自选通阻变存储器单元及其制备方法
CN102610748B (zh) 非挥发性存储单元及存储器
JP2006140489A (ja) 一つの抵抗体及び一つのダイオードを有する不揮発性メモリ素子及び不揮発性メモリ素子アレイ
CN103633242B (zh) 一种具有自整流特性的阻变存储器及其制备方法
CN105514268A (zh) 一种高开关比阻变存储器及其制备方法
CN104465989B (zh) 三端原子开关器件及其制备方法
CN105336852B (zh) 带有自整流效应的rram存储单元结构及其制备方法
US10608177B2 (en) Self-gated RRAM cell and method for manufacturing the same
CN105932035A (zh) 一种用于阻变存储器交叉阵列的选通器件及其制备方法
CN109494301A (zh) 一种提高阻变存储器稳定性的方法及其阻变存储器
CN103594622B (zh) 高一致性的阻变存储器结构及其制备方法
CN103682095B (zh) 一种具有选择特性的阻变存储器及其制备方法
CN105870321A (zh) 一种非线性自整流阻变存储器及其制备方法
CN105552219B (zh) 具有自整流特性的rram存储单元结构及其制备方法
CN103515534B (zh) 一种高一致性的阻变存储器及其制备方法
WO2014034420A1 (ja) 抵抗変化メモリ素子
CN102593352A (zh) 一种阻变存储器的制备方法
CN103579499A (zh) 具有整流特性的阻变存储器器件及其制作法
CN102931347A (zh) 一种阻变存储器及其制备方法
CN103078053A (zh) 一种多值阻变存储器及其制备方法
CN106229407A (zh) 一种高一致性阻变存储器及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180501

Termination date: 20201210

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee