CN101064359B - 包括可变电阻材料的非易失存储器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包括可变电阻材料的非易失存储器件，该非易失存储器件包括：下电极；在下电极上形成的第一氧化物层；在第一氧化物层上形成且具有可变电阻特性的第二氧化物层；形成于第二氧化物层上的缓冲层；以及形成于缓冲层上的上电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种非易失存储器件，且更具体而言，涉及一种使用可变电阻的非易失存储器件，所述器件通过使用两层氧化物层而提供了稳定的开关特性。所述非易失存储器件可以在没有比如二极管或晶体管的分立的开关器件的情况下操作，且具有改善的电极结构，其中p型氧化物层设置于上电极之下。
背景技术
已经进行了很多努力来开发每单位面积具有数量增加的存储单元(即更高集成度)且可以在高速运行和低能耗工作的半导体器件。
一般而言，半导体存储器件包括大量由电路连接的存储单元。在作为典型半导体存储器件的动态随机存取存储器(DRAM)中，单位存储单元通常包括开关和电容器。DRAM具有高集成度和高操作速度的优点。然而，其具有的问题在于当关闭电源时其将丢失所有存储的数据。
在比如闪存的非易失存储器件中，即使当电源关闭时也保持所有存储的数据。与易失存储器不同，闪存具有非易失的特性，但是与DRAM相比，闪存的缺点在于低集成度和低操作速度。
目前正在进行研究的非易失存储器件包括磁随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)和电阻随机存取存储器(RRAM)。
在比如上述的PRAM的非易失存储器件中，根据施加到过渡金属氧化物的电压来改变过渡金属氧化物的电阻。
图1A示出了使用可变电阻材料的RRAM的典型结构。使用过渡金属氧化物(TMO)作为可变电阻材料的RRAM具有开关特性，这使得其被用作存储器件。
参考图1A，在基板10上顺序形成下电极12、氧化物层14和上电极16。下电极12和上电极16通常由比如金属的导电材料组成，氧化物层14由具有电阻转换(可变电阻)特性的过渡金属氧化物形成。过渡金属氧化物的具体示例包括ZnO、TiO2、Nb2O5、ZrO2、NiO等。
目前，因为高集成的闪存器件由于其结构特性而难于制造，所以需要开发使用可变电阻材料的新结构的交叉点型(cross-point type)存储器件。因此研究正活跃地在交叉点型存储器件上进行。
发明内容
本发明通过提供了一种具有更适于高度集成的结构简化的非易失存储器件，该存储器件具有改善的电极结构，由此提供了更稳定的电特性。
根据本发明的方面，提供有一种包括可变电阻材料的非易失存储器件，所述非易失存储器件包括：下电极；在下电极上形成的第一氧化物层；在第一氧化物层上形成且具有可变电阻特性的第二氧化物层；形成于第二氧化物层上的缓冲层；以及形成于缓冲层上的上电极。
第二氧化物层可以由p型过渡金属氧化物组成。
P型过渡金属氧化物可以为Ni氧化物。
缓冲层可以由p型氧化物组成。
P型氧化物层可以包括选自NiO(1+x)(0＜x＜1)、用Li、Na、La等掺杂的NiO、和Cu缺乏的Cu氧化物的至少一种材料。
上电极可以由选自Ni、Co、Cr、W、Cu或这些材料的合金的一种材料组成。
第一氧化物可以由n型氧化物组成。
N型氧化物可以为Ru氧化物或Zn氧化物。
附图说明
参考附图，通过详细描述其示范性实施例，本发明的以上和其他特征和优点将变得更加显见，在附图中：
图1A示出了包括可变电阻材料的常规非易失存储器件的结构；
图1B示出了当使用Pt作为上电极时在常规非易失存储器件上的蚀刻工艺期间发生的问题；
图2是示出根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件的视图；
图3A示出了当第一氧化物层通过在Ru下电极上形成RuOx或ZnO来制成且在第一氧化物层上形成NiO第二氧化物层和Pt上电极时的能带图和欧姆接触图；
图3B示出了当第一氧化物层通过在Ru下电极上形成RuOx或ZnO来制成且在第一氧化物层上形成由NiO制成的第二氧化物层和由比如Ni、Cr、Cu或W的常规金属制成的上电极时的能带图和肖特基图；
图3C示出了当第一氧化物层通过在Ru下电极上形成RuOx或ZnO来制成且在第一氧化物层上形成由NiO制成的第二氧化物层、p型缓冲层和由比如Ni、Cr、Cu或W的常规金属制成的上电极时的能带图和欧姆接触图；
图4A是由根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件产生的曲线图，其中曲线图示出了相对于施加的电压的非易失存储器件的电流；
图4B是示出了相对于施加的电压的非易失存储器件的电流的曲线图，其中上电极由Pt组成。
图5A和5B是由根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件产生的曲线图，其中图5A的曲线图示出了相对于开关循环的数量的存储器件的电阻的测量结果；图5B的曲线图示出了相对于电阻的存储器件的分布的测量结果；
图6A和6B是由根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件产生的曲线图，其中图6A的曲线图示出了相对于开关循环的数量的存储器件的电压的测量结果；图6B的曲线图示出了相对于开关循环的存储器件的分布的测量结果；
图7是示出根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件的操作特性的曲线图。
具体实施方式
其后，将参考附图详细地说明根据本发明的实施例的使用可变电阻材料的非易失存储器件。在附图中，为了清晰起见夸大了层和区域的厚度。
图2是示出根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件的视图。
参考图2，根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件包括下电极20和顺序堆叠在下电极20上的第一氧化物层22、第二氧化物层24、p型缓冲层26和上电极28。
下电极20可以由金属或导电金属氧化物组成。例如，下电极20由比如Pt、Ru、Ir、IrOx等的材料组成。第一氧化物层22由n型氧化物组成，且具体而言，可以由Ru氧化物或Zn氧化物组成。第二氧化物层24由p型氧化物组成，且具体而言，可以由Ni氧化物组成。上电极28用于将电压施加到第二氧化物层24，且一般而言，将正电压施加到第二氧化物层24。上电极28可以由比如Pt的贵金属组成。然而，在形成电极的干法蚀刻工艺的过程中Pt引起低的蚀刻速率，且产生非挥发蚀刻副产物，比如PtClx。如图1B所示，因为电极具有约40度的蚀刻斜度，所以形成电极的工艺困难。另外，当使用比如Pt的贵金属时，其高的价格增加了存储器件的生产制造成本。因此，优选地使用常规金属或导电材料来形成上电极28。具体而言，上电极优选地使用Ni、Co、Cr、W、Cu或这些材料的合金形成。
然而，当使用比如Ni、Co、Cr等的常规金属作为上电极28时，存储器件的性能可以不如当使用Pt作为上电极28时稳定。这将在以下更详细地进行说明。
因为比如Pt的贵金属的功函数非常高，即5.34，且贵金属与在上电极28下由p型氧化物组成的第二氧化物层24形成了欧姆接触，所以从上电极28施加的正电压在节点材料上累积。图3A示出了当第一氧化物层通过在Ru下电极上形成RuOx或ZnO来制成且在第一氧化物层上形成NiO第二氧化物层和Pt上电极时的能带图和欧姆接触图、
相反，当上电极由比如Ni、Co、Cr等的一般金属组成时，因为金属的功函数比较低，在与例如由Ni氧化物组成的第二氧化物层24的界面形成了肖特基势垒。当在第二氧化物层24和上电极28之间形成了肖特基势垒时，由于结电阻的影响发生电压降现象并使存储节点恶化，这恶化了存储器件的操作特性。
图3B示出了当第一氧化物层通过在Ru下电极上形成RuOx或ZnO来制成且在第一氧化物层上形成由Ni氧化物(NiO)制成的第二氧化物层和由比如Ni、Cr、Cu或W的常规金属制成的上电极时的能带图和肖特基图。
当上电极28由常规金属组成时，根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件的特征在于缓冲层26设置于第二氧化物层24和上电极28之间以在与第二氧化物层的界面处形成欧姆接触。
缓冲层26由p型氧化物组成，且材料的具体的例子如下。首先，可以使用Ni缺乏的NiO。当第二氧化物层24由NiO组成时，缓冲层26由NiO(1+x)(0＜x＜1)组成，其中Ni的含量远小于第二氧化物层24的NiO。第二，NiO可以用Li、Na、La等掺杂。第三，可以使用Cu缺乏的CuOx。形成缓冲层26的p型氧化物中的载流子浓度优选为1017/cm3。上述的材料均为p型氧化物，且缓冲层26形成于第二氧化物层24和上电极28之间，由此形成欧姆接触结构。
图3C示出了当第一氧化物层通过在Ru下电极上形成RuOx或ZnO来制成且在第一氧化物层上形成由NiO制成的第二氧化物层、p型缓冲层和由比如Ni、Cr、Cu或W的常规金属制成的上电极时的能带图和欧姆接触图。
如上述的根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件可以使用PVD、原子层沉积(ALD)、或利用溅射的CVD工艺来制造。下电极20、第一氧化物层22、第二氧化物层24、缓冲层26和上电极28的厚度没有限制，且它们可以被控制在几纳米和几微米之间。图2仅示出了单位器件的结构，但是根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件可以被用在阵列结构的交叉点型中。
使用可变电阻的存储器件具有两个电阻态，且其操作原理将参考图7在以下进行说明。
参考图7，当逐渐从0V增加电压时，电流沿曲线G1正比于电压增加，但当施加V1或更高的电压时，因为电阻突然增加电流减小。当施加V1到V2范围的电压时，电流沿曲线G2增加。当施加V2或更高的电压时，电阻突然减小且电流再次沿曲线G1增加。另外，施加高于V1的电压时的存储器件的电特性影响了其后施加低于V1的电压时的存储器件的电特性，这将在以下进行详细描述。
当施加V1到V2范围的电压之后，当再次施加低于V1的电压时，测量的电流遵循沿曲线G2的电流值。相反，在施加V2或更高的电压之后，当再次施加低于V1的电压时，测量的电流遵循沿图7的曲线G1的电流值。如此，已知施加的电压高于V1(V1到V2的范围或高于V2)的电特性影响了存储器件。结果，为过渡金属氧化物的可变电阻材料可以被用于形成存储器件且应用于非易失存储器件。例如，当施加图7的V1到V2的范围的电压时的存储器件的状态被指定为“0”，且当施加V2或更高的电压时的存储器件的状态被指定为“1”，从而记录数据。为了读出数据，通过施加低于V1的电压且测量氧化物层的电流，可以探测存储于存储器件中的数据是否处于“0”状态或处于“1”状态。这里，选择性地决定状态“1”和“0”的指定。
图4A是由根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件产生的曲线图。曲线图示出了相对于施加的电压的非易失存储器件的电流。
在本发明的该实施例中使用的样品具有一种结构，其中由ZnO制成的第一氧化物层、由NiO制成的第二氧化物层、与第二氧化物层相比Ni含量减小了50％的缓冲层和Ni上电极顺序形成于Ru下电极上。图4B是示出了相对于施加的电压的非易失存储器件的电流的曲线图，其中下电极和上电极由Pt组成。比较图4A和4B的曲线，可以发现曲线的再现性和存储特性非常相似。
图5A和5B是由根据如图4A的本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件产生的曲线图。图5A的曲线图示出了相对于开关循环的数量的存储器件的电阻的测量结果。图5B的曲线图示出了相对于电阻的存储器件的分布的测量结果。参考图5A和5B，即使当开关循环的数量增加时，低电阻态值Ron和高电阻态值Roff为常数，且分布也小。
图6A和6B是由根据如图4A所示的本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件产生的曲线图。图6A的曲线图示出了相对于开关循环的数量的存储器件的置位电压和复位电压的测量结果。图6B的曲线图示出了相对于开关循环的存储器件的分布的测量结果。参考图6A和6B，即使当开关循环的数量增加时，低置位电压和低复位电压显示了预定的模式，且部分也提供了可靠的结果。
根据本发明，包括可变电阻材料的非易失存储器件具有非常简单的结果，具有稳定的开关特性，且可以被用作具有高集成的优点的交叉点型存储器件。另外，根据本发明的非易失存储器件通过在上电极和存储节点之间形成缓冲层而提供了节省成本和稳定的操作特性的优点。本发明的非易失存储器件可以被用于单位器件的交叉点型阵列结构中。
虽然参考其示范性实施例具体显示和描述了本发明，然而本领域的普通技术人员可以理解在不脱离由权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的不同变化。
Claims (5)
1.一种包括可变电阻材料的非易失存储器件，所述非易失存储器件包括：
下电极；
在所述下电极上形成的第一氧化物层，所述第一氧化物层由n型氧化物组成；
第二氧化物层，其在所述第一氧化物层上形成且由p型氧化物组成，且具有可变电阻特性；
缓冲层，其形成于所述第二氧化物层上且由p型氧化物组成，用以在与所述第二氧化物层的界面处形成欧姆接触；以及
上电极，其形成于所述缓冲层上且由选自Ni、Co、Cr、W、Cu或这些材料的合金的一种材料组成。
2.根据权利要求1所述的非易失存储器件，其中所述第二氧化物层由p型过渡金属氧化物组成。
3.根据权利要求2所述的非易失存储器件，其中所述p型过渡金属氧化物为Ni氧化物。
4.根据权利要求1所述的非易失存储器件，其中用于所述缓冲层的所述p型氧化物包括选自NiO(1+x)、以及用Li、Na、La掺杂的NiO、和Cu缺乏的Cu氧化物的至少一种材料，其中0＜x＜1。
5.根据权利要求1所述的非易失存储器件，其中所述n型氧化物为Ru氧化物或Zn氧化物。
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