[發(fā)明專利]電脈沖誘發(fā)電阻轉(zhuǎn)變特性的二元氧化物RRAM存儲(chǔ)單元

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910056301.5
• 申請(qǐng)日: 2009-08-12
• 公開（公告）號(hào): CN101621115A
• 公開（公告）日: 2010-01-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李效民;曹遜;高相東;張亦文;劉新軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號(hào): H01L45/00
• 分類號(hào): H01L45/00;G11C11/56
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有電脈沖誘發(fā)電阻轉(zhuǎn)變特性的二元氧化物RRAM電阻式存儲(chǔ)單元，具體是指利用頂電極和阻變層之間形成儲(chǔ)氧層來(lái)實(shí)現(xiàn)電脈沖條件下電阻轉(zhuǎn)變的RRAM用多層膜結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元，屬于高速存儲(chǔ)器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來(lái)，RRAM由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及與現(xiàn)代半導(dǎo)體CMOS工藝匹配性優(yōu)異等特點(diǎn)，逐漸成為新一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的研究熱點(diǎn)。在RRAM材料的研究過程中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了多種材料體系具有作為RRAM的應(yīng)用潛力。主要包括：稀土錳氧化物材料、過渡金屬鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)材料、二元過渡金屬氧化物材料、有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料以及一些硫化物材料等。其中二元過渡金屬氧化物具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備方便，且與現(xiàn)代半導(dǎo)體CMOS工藝更加兼容等特點(diǎn)，近年來(lái)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，二元過渡金屬氧化物的研究主要有NiO、TiO₂、Cu_xO、Cu-MoO_x、ZnO、Mg-ZnO、Co-ZnO、Mn-ZnO、Fe₂O₃、ZrO₂等。

然而，目前關(guān)于脈沖電壓觸發(fā)條件下的電阻轉(zhuǎn)變特性多集中報(bào)道于多元化合物，例如Pr_1-xCa_xMnO₃、La_1-xCa_xMnO₃等。而對(duì)于二元氧化物而言，目前報(bào)道的電阻轉(zhuǎn)變特性主要是I-V特性。脈沖觸發(fā)條件下表征電阻轉(zhuǎn)變特性的報(bào)道較少，這主要是由于二元具有較獨(dú)特的I-V電阻轉(zhuǎn)變特性，例如電阻轉(zhuǎn)變倍率較大(最大可達(dá)10⁸)，高/低阻態(tài)轉(zhuǎn)變是一種劇烈的突變，以及需要限流等，所以對(duì)可實(shí)現(xiàn)脈沖的結(jié)構(gòu)提出了較特殊的要求。

而實(shí)現(xiàn)脈沖條件下的電阻轉(zhuǎn)變特性對(duì)推進(jìn)高速RRAM的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。另外，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)下的電阻轉(zhuǎn)變特性，對(duì)進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)電阻轉(zhuǎn)變機(jī)理的本質(zhì)也有重要意義。

本發(fā)明擬采用SiO₂/Si襯底上依次形成的“電極層/阻變氧化物層/儲(chǔ)氧層/電極層”多層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成RRAM存儲(chǔ)單元。在施加脈沖電場(chǎng)條件下，利用頂電極與阻變層之間形成的儲(chǔ)氧層，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)條件下的電阻轉(zhuǎn)變特性，其穩(wěn)定性、重復(fù)性良好，脈沖作用時(shí)間在納秒級(jí)，滿足高速RRAM的特性。在二元氧化物RRAM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)研究方面，提出利用儲(chǔ)氧氧化層來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)電阻轉(zhuǎn)變特性在國(guó)內(nèi)外各類文獻(xiàn)中尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

基于上述對(duì)RRAM研究現(xiàn)狀的概述，本發(fā)明的目的是提供一種具有脈沖觸發(fā)電阻轉(zhuǎn)變特性的二元氧化物RRAM存儲(chǔ)單元。

本發(fā)明提供一種電脈沖誘發(fā)電阻轉(zhuǎn)變特性的二元氧化物RRAM的存儲(chǔ)單元，在襯底上依次形成底電極層、阻變氧化物層和頂電極層，其特征在于在阻變氧化物層和頂電極層在界面處形成一儲(chǔ)氧層，提供氧離子存儲(chǔ)和釋放，所構(gòu)成的存儲(chǔ)單元為多層膜結(jié)構(gòu)。其中，中間阻變層為二元氧化物材料(例如：TiO₂、ZnO、ZrO₂、Cu_xO、NiO、HfO₂、Ta₂O₅、MgO等)；頂電極為金屬或化合物電極材料(例如：Ti、Cu、W、Al、Ni、IrO₂、TiN或AZO，AZO為Al摻雜的ZnO導(dǎo)電薄膜)。

本發(fā)明采用的底電極為Pt，為良好的惰性電極，具有良好的導(dǎo)電特性，且穩(wěn)定性良好。

本發(fā)明是利用頂電極為易于與阻變層之間形成儲(chǔ)氧層的金屬或化合物作為頂電極材料(例如：Ti、Cu、W、Al、Ni、IrO₂、TiN、AZO等)。氧離子在阻變層與儲(chǔ)氧層之間的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了脈沖電壓作用下二元氧化物電阻轉(zhuǎn)變特性的產(chǎn)生。

本發(fā)明是針對(duì)二元氧化物阻變材料一般不易實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)電阻轉(zhuǎn)變特性問題，利用易于與阻變氧化物層形成儲(chǔ)氧層的金屬或化合物作為頂電極層材料，制備出底電極層/阻變氧化物層/頂儲(chǔ)氧層/電極層的多層膜結(jié)構(gòu)，在納秒級(jí)電脈沖電場(chǎng)作用下，顯示非對(duì)稱電阻轉(zhuǎn)變特性。

本發(fā)明所述的存儲(chǔ)單元中形成的儲(chǔ)氧層，其作用是提供氧離子的儲(chǔ)存與釋放，從而實(shí)現(xiàn)較短脈沖電場(chǎng)作用下的薄膜電阻高/低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。所述的儲(chǔ)氧層為TiO_x、Cu_xO、WO_x、AlO_x、TiON或AZO，AZO為Al摻雜的ZnO薄膜。