CN101577310A - 一种电阻转变型存储器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电阻转变型存储器及其制作方法，属于信息存储技术领域。所述存储器包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的电阻转变存储层，所述上电极和下电极均由功函数为4.5电子伏～6电子伏的材料制成，所述电阻转变存储层为由P型半导体二元金属氧化物制成的薄膜。本发明电阻转变型存储器的结构简单，采用功函数较高的材料制成上电极和下电极，并采用P型半导体氧化物制成的薄膜作为电阻转变存储层，使得上电极和下电极与电阻转变存储层界面能够形成欧姆接触或者低肖特基接触，使得存储器器件在较低的操作电压下就可以实现高阻态和低阻态之间的转变，因此可以降低存储器器件的操作电压。

Description

一种电阻转变型存储器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种存储器及其制作方法，尤其涉及一种电阻转变型存储器及其制作方法，属于信息存储技术领域。

背景技术

随着手机、MP3、MP4以及笔记本电脑等便携式个人设备的逐渐流行，非挥发性存储器在半导体行业中扮演着越来越重要的角色，其最大的优点是在无电源供应时所存储的数据仍能被长时间保持下来，它既有ROM的特点，又有很高的存取速度。目前市场上的非挥发性存储器仍以闪存(Flash)为主流。随着数字高科技的飞速发展，对存储器的性能也提出了更高的要求，如高速度、高密度、低功耗、长寿命和更小的尺寸等。但是Flash存储器器件存在操作电压过大、操作速度慢、耐久力不够好以及随着器件尺寸缩小过程中过薄的隧穿介质层将导致器件保持时间不够长等缺点。这在一定程度上限制了传统Flash存储器的进一步发展。因此，急需开发一种全新的信息存取技术来解决以上问题。

目前已研制出的新型非挥发性存储器包括：铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)以及阻变存储器(RRAM)即电阻转变型存储器。在这些存储器当中，阻变存储器由于具有简单的器件结构、较高的器件密度、较低的功耗、较快的读写速度、与传统CMOS工艺兼容性好等优势，因此倍受关注。阻变存储器作为一种新型的非挥发性存储器，是以薄膜材料的电阻可在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间实现可逆转换为基本工作原理并作为记忆的方式。

图1为现有技术电阻转变型存储器的基本结构示意图。如图1所示，在上电极101和下电极103之间，设置有电阻转变存储层102。电阻转变存储层102的电阻值在外加电压作用下可以具有两种不同的状态，即高阻态和低阻态，其可以分别用来表征“0”和“1”两种状态。在不同外加电压的作用下，电阻转变型存储器的电阻值在高阻态和低阻态之间可实现可逆转换，以此来实现信息存储的功能。

图2为现有技术在理想情况下具有单极转换特性的电阻转变型存储器的电流-电压特性曲线示意图。所述单极转换是指电阻的转变发生在相同极性上。如图2所示，当电压在正方向或负方向上增大到U_on时，电流急剧增大，存储器电阻由高阻态转变为低阻态，即设置(Set)过程；当同方向的电压为U_off时，电流迅速减小，存储器电阻由低阻态转变为高阻态，即重置(Reset)过程。

图3为现有技术在理想情况下具有双极转换特性的电阻转变型存储器的电流-电压特性曲线示意图。所述的双极转换是指电阻的转变发生在相反的极性上。如图3所示，线201至203表示电阻由高阻态转变为低阻态的I-V曲线，当电压从0开始向正方向逐渐增大到U_on时，电流急剧增大，表明存储器电阻由高阻态转变为低阻态(Set过程HRS→LRS)；线204至206表示电阻由低阻态转变为高阻态的I-V曲线，当电压从0开始由负方向逐渐增大到U_off时，电流迅速减小，存储器电阻由低阻态转变为高阻态(Reset过程LRS→HRS)。

阻变存储器的材料体系多种多样，包括PrCaMnO₃，锆酸锶(SrZrO₃)、钛酸锶(SrTiO₃)等钙钛矿复杂氧化物，高分子有机材料以及简单二元过渡族金属氧化物如Al₂O₃、TiO2、NiO、ZrO₂、HfO₂等。与其它材料相比，二元过渡族金属氧化物由于具有结构简单，制成本低，以及和现有CMOS工艺兼容的优点受到格外的关注。对于阻变存储器器件而言，低的操作电压意味着更小的功耗，因此如何降低器件的操作电压是急需解决的问题。

发明内容

本发明针对如何降低现有技术中的阻变存储器即电阻转变型存储器的操作电压，提供了一种电阻转变型存储器及其制作方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电阻转变型存储器，包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的电阻转变存储层，所述上电极和下电极均由功函数为4.5电子伏～6电子伏的材料制成，所述电阻转变存储层为由P型半导体二元金属氧化物制成的薄膜。

所述上电极由金属材料或者金属合金材料制成。

进一步，所述下电极由金属材料或者金属合金材料制成。

进一步，所述金属材料为Au、Co、Ir、Re、Pd或者Pt。

进一步，所述金属合金材料为Ti-Pt、Co-Ni或者Pt-Hf。

进一步，所述P型半导体二元金属氧化物为Cu₂O、NiO、MoO₂、MnO、MnO₂、Bi₂O₃、VO₂或者PdO。

进一步，所述上电极或者下电极的厚度各为10纳米～300纳米，所述电阻转变存储层的厚度为20纳米～200纳米。

本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种电阻转变型存储器的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：在衬底上形成功函数为4.5电子伏～6电子伏的下电极；

步骤二：在所述下电极上形成一P型半导体二元金属氧化物薄膜作为电阻转变存储层；

步骤三：在所述电阻转变存储层上形成功函数为4.5电子伏～6电子伏的上电极。

所述下电极和上电极均为通过物理汽相沉积和化学汽相沉积形成，所述物理汽相沉积包括电子束蒸发或者溅射。

进一步，所述电阻转变存储层为通过电子束蒸发、等离子体增强化学汽相沉积或者原子层沉积形成。

本发明的有益效果是：本发明电阻转变型存储器的结构简单，采用功函数较高的材料制成上电极和下电极，并采用P型半导体氧化物制成的薄膜作为电阻转变存储层，使得上电极和下电极与电阻转变存储层界面能够形成欧姆接触或者低肖特基接触，这样一来，存储器器件在较低的操作电压下就可以实现高阻态和低阻态之间的转变，因此可以降低存储器器件的操作电压。本发明电阻转变型存储器的制作方法简单，成本低，与传统的CMOS工艺兼容性好。

附图说明

图1为现有技术电阻转变型存储器的基本结构示意图；

图2为现有技术在理想情况下具有单极转换特性的电阻转变型存储器的电流-电压特性曲线示意图；

图3为现有技术在理想情况下具有双极转换特性的电阻转变型存储器的电流-电压特性曲线示意图；

图4为本发明实施例1电阻转变型存储器的基本结构示意图；

图5为本发明实施例2电阻转变型存储器制作方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

图4为本发明实施例电阻转变型存储器的基本结构示意图。如图4所示，所述电阻转变型存储器包括衬底401，设置于衬底401上的下电极402，设置于下电极402上的电阻转变存储层403，以及设置于电阻转变存储层403上的上电极404。

所述衬底401一般由二氧化硅、掺杂二氧化硅或者其他绝缘材料制成。

所述下电极402和上电极404均为功函数为4.5电子伏～6电子伏的材料制成。所述下电极402和上电极404可为Au、Co、Ir、Re、Pd或者Pt等金属形成的单层金属电极，也可以为Ti-Pt、Co-Ni或者Pt-Hf等金属合金形成的双层金属电极，同时也可以由其他具有较高功函数的导电材料制成。所述下电极402和上电极404的厚度各为10纳米～300纳米。可以理解，所述下电极402和上电极404的电极材料可以相同，也可以不同，只要保证使用的电极材料的功函数在4.5电子伏～6电子伏之间即可。所述下电极402和上电极404的厚度可以相同，也可以不同，只要在10纳米～300纳米之间即可。

所述电阻转变存储层403为由P型的半导体二元金属氧化物制成的薄膜。所述P型半导体二元金属氧化物即为具有P型半导体性质的二元金属氧化物。所述电阻转变存储层403可为Cu₂O、NiO、MoO₂、MnO、MnO₂、Bi₂O₃、VO₂或者PdO等具有P型半导体特性的二元金属氧化物制成，也可以为通过不同掺杂而形成的具有P型半导体特性的氧化物制成。所述电阻转变存储层403的厚度为20纳米～200纳米。

本发明电阻转变型存储器的结构简单，采用功函数较高的材料制成上电极和下电极，并采用P型半导体氧化物制成的薄膜作为电阻转变存储层，使得上电极和下电极与电阻转变存储层界面能够形成欧姆接触或者低肖特基接触，使得存储器器件在较低的操作电压下就可以实现高阻态和低阻态之间的转变，因此可以降低存储器器件的操作电压。

实施例2

图5为本发明实施例电阻转变型存储器制作方法流程图。如图5所示，所述制作方法包括以下步骤：

步骤501：在衬底上形成功函数为4.5电子伏～6电子伏的下电极。

所述下电极可以采用电子束蒸发、溅射等物理汽相沉积或者化学汽相沉积的方法形成。

步骤502：在所述下电极上形成一P型半导体二元金属氧化物薄膜作为电阻转变存储层。

所述电阻转变存储层可以采用电子束蒸发、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)或者原子层淀积(ALD)等方法形成。

步骤503：在所述电阻转变存储层上形成功函数为4.5电子伏～6电子伏的上电极。

所述上电极可以采用电子束蒸发、溅射等物理汽相沉积或者化学汽相沉积的方法形成。

本发明电阻转变型存储器的制作方法简单，制作成本低，与传统的CMOS工艺兼容性好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电阻转变型存储器，包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的电阻转变存储层，其特征在于，所述上电极和下电极均由功函数为4.5电子伏～6电子伏的材料制成，所述电阻转变存储层为由P型半导体二元金属氧化物制成的薄膜。

2.根据权利要求1所述的电阻转变型存储器，其特征在于，所述上电极由金属材料和金属合金材料中的一种或两种制成。

3.根据权利要求1所述的电阻转变型存储器，其特征在于，所述下电极由金属材料和金属合金材料中的一种或两种制成。

4.根据权利要求2或3所述的电阻转变型存储器，其特征在于，所述金属材料为Au、Co、Ir、Re、Pd或者Pt。

5.根据权利要求2或3所述的电阻转变型存储器，其特征在于，所述金属合金材料为Ti-Pt、Co-Ni或者Pt-Hf。

6.根据权利要求1所述的电阻转变型存储器，其特征在于，所述P型半导体二元金属氧化物为Cu2O、NiO、MoO2、MnO、MnO2、Bi2O3、VO2或者PdO。

7.根据权利要求1所述的电阻转变型存储器，其特征在于，所述上电极或者下电极的厚度各为10纳米～300纳米，所述电阻转变存储层的厚度为20纳米～200纳米。

8.一种电阻转变型存储器的制作方法，其特征在于，该制作方法包括以下步骤：

步骤一：在衬底上形成功函数为4.5电子伏～6电子伏的下电极；步骤二：在所述下电极上形成一P型半导体二元金属氧化物薄膜作为电阻转变存储层；步骤三：在所述电阻转变存储层上形成功函数为4.5电子伏～6电子伏的上电极。

9.根据权利要求8所述的电阻转变型存储器的制作方法，其特征在于，所述下电极和上电极均为通过物理汽相沉积和化学汽相沉积形成，所述物理汽相沉积包括电子束蒸发或者溅射

10.根据权利要求8所述的电阻转变型存储器的制作方法，其特征在于，所述电阻转变存储层为通过电子束蒸发、等离子体增强化学汽相沉积或者原子层沉积形成。

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