CN109742231A - 电阻存储器件 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电阻存储器件，属于微电子技术及信息存储领域。其结构主要包含下电极、相变介质层、中间电极、氧化物层及上电极，其特点是器件具有双极性电阻阻变效应，可以实现电学信息的记录和读出。本发明提出的电阻存储器件制备工艺简单、性能稳定，并且具有较高的开关均匀性。

Description

电阻存储器件

技术领域

本发明涉及信息存储技术领域，特别是微电子技术中电阻存储器件及技术领域。

背景技术

近年来，以Flash闪存为代表的非挥发性存储器件能够满足多媒体应用、移动通讯等对大容量、低功耗的需要而占据了半导体器件的主流市场。但是随着对存储器需求的不断提高和半导体技术尺寸节点的发展，当前闪存技术仍存在操作电压大、操作速度慢、耐久力不足够好等诸多缺点，特别是由于器件尺寸的缩小过程中存储功能层不断变薄导致隧穿效应增加和信息保持时间不够长。目前存储领域开始研究新型非挥发性存储器件以替代传统的闪存技术，其中阻变存储器（RRAM）有望克服现存闪存技术中的诸多缺点成为目前新型非挥发性存储器件的研究重点方向。

RRAM存储单元具有“电极/存储功能层/电极”三明治式的基本结构，在两电极上施加操作电压可以使得电存储功能层的电阻在高、低阻态之间可逆转变，因此可以实现信息的记录和读出。RRAM能够满足半导体工艺技术代的特征尺寸4F²单元面积，因此可以实现高密度存储。目前实现高密度存储最简单有效的方法是基于RRAM存储单元交叉阵列架构。然而在大量存储单元构成的交叉阵列中遇到严重的存储单元间的读串扰问题，即读取一个处于高电阻态的存储单元时，如果与其相邻的其他单元恰好处于低阻态，那么在这几个低电阻态单元中会形成漏电流通道，造成误读现象。

目前RRAM器件有单极性和双极性两种类型，双极性RRAM器件与单极性RRAM器件相比具有更好的耐受性、更低的操作电流等优点。为避免交叉阵列中存储单元误读现象，可以在每个RRAM上串联一个具有整流效应的选择器（1D1R结构）。但是普通二极管作为选择器适用于单极性RRAM器件，双极性RRAM器件的SET和RESET需要极性相反的操作电压，因此为发挥RRAM优点用于交叉阵列存储而避免误读时就需要具有双极性整流效应的选择器件（1S1R结构），因此普通二极管不再适用于这种结构。

发明内容

本发明的目的在于克服目前双极性RRAM存储器交叉阵列中的漏电流造成的误读问题，提供一种由相变薄膜和氧化物存储介质构成的具有双极性电阻转变特性的RRAM存储单元。该电阻存储器件制备工艺简单、性能稳定，可以实现交叉存储阵列中的读串扰的抑制作用。

本发明的解决方案是：

本发明提供的一种电阻存储器件，包括：下电极，形成于该下电极之上的双极性电阻变化氧化物功能层，氧化物层之上的中间电极，具有电流选择作用的相变薄膜层及其上的上电极。

所述方案中，下电极为ITO导电膜、Ag、Cu、Al、Pt、Ti、W、TiW、Au中的一种，厚度为50-100nm，形成方法为用磁控溅射、物理或化学气相沉积工艺在衬底上沉积。

所述方案中，双极性电阻变化氧化物功能层CuO、WO₃、TiO₂、Al₂O₃、ZnO、MgO、BiFeO₃中的一种，厚度20-100nm，形成方法为利用磁控溅射、物理或化学气相沉积工艺在下电极上沉积。

所述方案中，中间电极为双极性氧化物功能层和相变薄膜层共用，材料为Pt、Ti、W、TiW、Au中的一种，厚度为50-100nm，形成方法为用磁控溅射、物理或化学气相沉积工艺在氧化物层上沉积。

所述方案中，具有电流选择作用的相变薄膜层为沉积于该中间电极之上，相变介质薄膜层为Si_x(Sb₂Te₃)_1-x、Si_x(GeTe) _1-x、Si_xTe_1-x中的一种；形成方法为利用磁控溅射工艺利用合金靶或者多靶共溅在中间电极膜层上沉积20-100nm厚度的相变介质薄膜层；成分中x取值范围为0-0.3。

所述方案中，上电极材料为Pt、Ti、W、TiW、Au中的一种，厚度为50-100nm，形成方法为用磁控溅射、物理或化学气相沉积工艺在相变介质薄膜层上沉积。

所述方案中，中间电极与上电极可以采用同种金属材料也可以采用不同金属材料，其整流选择性具有对称性和非对称性。

本发明的技术效果：

1.本发明为一个1S1R结构双极性电阻存储器单元，具有双极性电流选择作用，能够实现交叉阵列中的读串扰现象的抑制作用。

2.本发明器件结构中具有整流作用的功能层可以提供较高的电流密度，可以降低串联电阻效应对存储器件本身的影响

3. 本发明所采用的各种材料为现在广泛应用于相变电阻存储器（PCRAM）或阻变存储器RRAM的材料。结构制作工艺简单、成本低。

附图说明

图1是本发明本发明实施例的电阻存储器件示意图

图2是氧化物功能层的双极性阻变特性I-V曲线。

图3是Si_x(GeTe) _1-x相变介质层的双向整流曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，提供的附图及其描述仅用于例示本发明的实施例。图示形状和尺寸仅用于示例性说明，并非实际形状和尺寸比例，图中表示是示意性，因此不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明的一个器件结构示意图。如图所示，本发明提出的电阻存储器件包括双极性阻变氧化物功能层、电极、具有双极性整流作用的相变介质功能层。具体而言，其结构包括：衬底100、下电极101、氧化物功能层102、中间共用电极103、相变介质层104及上电极105。

所述器件结构之衬底100的形状和材料不受限制，一般由玻璃、硅片、SiO₂、ITO导电玻璃或PET构成。

所述下电极101一般由ITO导电膜、Ag、Cu、Al、Pt、Ti、W、TiW、Au高导电性薄膜构成。

所述氧化物阻变功能层102具有双极性阻变性质，材料为CuO、WO₃、TiO₂、Al₂O₃、ZnO、MgO、BiFeO₃中的一种。

所述中间电极103与上电极105由高导电膜构成，其材料为Pt、Ti、W、TiW、Au中的一种，电极103与电极104可以是同一种材料也可以是不同材料。

相变薄膜介质层104具有双极性整流作用，依据两端电极103与104材料不同具有极性对称或非对称整流性能。构成材料为Si_x(Sb₂Te₃)_1-x、Si_x(GeTe) _1-x、Si_xTe_1-x中的一种。

参照示例图1，衬底100之上的电极101、氧化物阻变层102及电极103构成了阻变单元11；电极103、相变介质层104与电极105共同构成双极性整流单元12，各层薄膜均在不同溅射参数下通过磁控溅射沉积而成。

图2给出了利用本发明测量的阻变单元11的双极性阻变特性曲线，其中采用厚度1.2mm的K9玻璃为衬底，电极101为100nm厚度的银膜，氧化物阻变层为厚度50nm的ZnO，电极103为厚度100nm的TiW薄膜。

图3给出了利用本发明所测量整流单元12的双极性整流曲线，其中电极103为厚度100nm的TiW薄膜，上电极105为100nm厚度的W薄膜，相变介质层为50nm的Si_x(Sb₂Te₃)_1-x。图中曲线301为成分x=0.1的整流曲线，曲线302为成分x=0的整流曲线。

Claims (7)

1.一种电阻存储器件，其特征在于，包括:

沉积在衬底上的下电极；

沉积于该下电极之上的氧化物功能薄膜；

沉积于该氧化物功能薄膜极之上的中间电极，

沉积于中间电极之上相变介质薄膜层；

以及沉积于该相变介质薄膜层之上的上电极。

2.根据权利要求1所述的一种电阻存储器件，所述衬底为玻璃、硅片、SiO₂、ITO导电玻璃或PET基底中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种电阻存储器件，其下电极为ITO导电膜、Ag、Cu、Al、Pt、Ti、W、TiW中的一种；形成下电极的方法为用磁控溅射、物理或化学气相沉积工艺在衬底上沉积50-100nm厚度的金属层。

4.根据权利要求1所述的一种电阻存储器件，其沉积于下电极之上的氧化物功能薄膜层为CuO、WO₃、TiO₂、Al₂O₃、ZnO、MgO、BiFeO₃中的一种；形成氧化物膜的方法为利用磁控溅射、物理或化学气相沉积工艺在下电极上沉积20-100nm厚度的氧化物薄膜层。

5.根据权利要求1所述的一种电阻存储器件，沉积于该氧化物薄膜之上中间电极膜层为Pt、Ti、W、TiW或Au中的一种，形成中间电极的方法为利用磁控溅射工艺在氧化物薄膜层上沉积50-100nm厚度的金属层。

6.根据权利要求1所述的一种电阻存储器件，沉积于该中间电极之上相变介质薄膜层为Si_x(Sb₂Te₃)_1-x、Si_x(GeTe) _1-x、Si_x Te_1-x中的一种；形成方法为利用磁控溅射工艺利用合金靶或者多靶共溅在中间电极膜层上沉积20-100nm厚度的相变介质薄膜层；成分中x取值为0-0.3。

7.根据权利要求1所述的一种电阻存储器件，其上电极为Pt、Ti、W、TiW或Au高导电膜中的一种。形成上电极方法为利用磁控溅射、物理或化学气相沉积工艺在相变介质薄膜层上形成50-100nm厚度的金属膜。