專利名稱：一種電阻轉換存儲器單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體存儲器的相關領域，具體地說是一種電阻轉換存儲器單元。
背景技術：
非易失性半導體存儲器在信息技術中占據(jù)了重要的地位，其銷售額逐年增長，其應用在 消費電子中更是無處不在，具有廣闊的市場。目前，最常用的非易失性半導體存儲器是閃存， 而其他原理的新型存儲器也不斷涌現(xiàn)，隨著閃存在32nm技術節(jié)點以下遇到技術瓶頸，新型半
導體存儲器將在不久的將來部分或者大幅取代閃存。例如，相變存儲器，鐵電存儲器，RRAM (電阻隨機存儲)等，其中，相變存儲器更被認為是下一代非易失存儲器最有希望的候選， 具有潛在的巨大的市場價值。
相變存儲器的原理是基于相變材料相變導致的電阻的轉變，而RRAM的原理則是基于金屬 氧化物在電信號作用下的電阻轉變，盡管上述兩種存儲器的原理都是基于各種材料的電阻的 大幅轉變，但是目前，還沒有在金屬中發(fā)現(xiàn)電阻的大幅度的轉變。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供了一種儲存介質為金屬的電阻轉換存儲器單元，使得存儲器獲得較 大的高、低電阻差異以及較好的數(shù)據(jù)保持能力。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案
本發(fā)明公開了一種電阻轉換存儲器單元，存儲器單元中的存儲介質是金屬，金屬處于一 對電極中間，電極的尺寸和形狀可以相同，也可以不同。存儲器操作時，通過電信號的操作， 使存儲器單元在高電阻和低電阻之間實現(xiàn)可逆的電阻轉換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲功能。從而
利用器件不同的電阻狀態(tài)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，在數(shù)據(jù)存儲中，可為雙級存儲，也可為多級存儲。 上述的電阻轉換存儲器單元中的存儲介質是金屬，同時，也應該包括對上述金屬進行的適量 摻雜，摻雜原子的原子百分比少于百分之十，摻雜材料種類可以是為氮、氧、鈦、鎢、硅、 鍺、鉭、鋁、銀、金、錫、鎳、銦、氧化物、氮化物中的一種或幾種的組合。
或者，電極與金屬層之間也可以包括一層過渡層，經(jīng)過合理的預處理，使電極(或者過 渡層)與金屬層之間的界面發(fā)生擴散，電極(或者過渡層)與金屬層之間相互的擴散效應改 變了界面附近材料的組份，而特定的組份能夠在電信號的作用下實現(xiàn)電阻的可逆轉變，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。所述過渡層材料可以是鈦、鎢、硅、鍺、鉭、鋁、銀、金、錫、鎳、銦、 氧化物、氮化物中的一種或幾種的組合。
作為優(yōu)選方案所述的存儲介質為銻金屬。
本發(fā)明優(yōu)點在于具有較大的高、低電阻差異以及較好的數(shù)據(jù)保持能力，且具有較快的 速度和較低的功耗。


圖1A其中一種結構的存儲器俯視結構示意圖，圖1B截面示意圖，兩圖都是非等比例繪制。
圖2A基于圖1器件單元的低阻到高阻的操作過程，圖2B圖為高電阻器件單元的I-V曲線。
圖3另一種結構的存儲器截面結構圖，非等比例繪制。
圖4A基于上述器件單元的低阻到高阻的操作過程，B圖為高電阻器件單元的I-V曲線。 圖5上述器件的數(shù)據(jù)保持能力測試。
圖6A銻金屬經(jīng)過百分之二原子比的鎢摻雜得到的材料的電阻隨溫度的變化(升溫以及降 溫過程)，圖6B銻金屬經(jīng)過百分之一原子比的鈦摻雜得到材料組份的電阻隨溫度的變化曲線。
圖7A電極與金屬層界面的放大示意圖，圖7B在界面經(jīng)過擴散處理后，形成了一薄層， 非等比例繪制。
具體實施例方式
以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述。 實施例1:
一種基于金屬存儲介質的電阻轉換存儲器單元件，如圖1A所示的其中一類結構的器件俯 視圖，圖中虛線所示部分經(jīng)放大后的截面圖如圖1B所示。在此案例中，以銻金屬作為存儲介 質為例說明。圖1中，存儲金屬材料銻13與電極11的接觸區(qū)域長度為50微米(即圖的垂直 方向)，12為介質材料氧化硅，14為硅基底。在圖1B中，兩電極之間的空隙寬度為20微米。 將上述結構的器件的電膽值通過電信號編程設定到低電阻后，采用脈沖寬度為50ns的電壓脈 沖對器件單元進行編程，得到如圖2A所示的典型的從低阻到高阻的編程曲線，由圖可見，器 件經(jīng)過施加較低的電壓就能夠將器件設定到較高的電阻態(tài)；對高阻態(tài)的器件進行直流V-1的掃描，得到的V-1曲線如圖2B所示，從圖看到，器件僅需要較低的電流和電壓就能夠實現(xiàn)從 高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉變。 實施例2:
在另外一種結構中，也以銻金屬為例，器件截面圖如圖3所示，圖中15為氧化硅絕緣過 渡層，16為鎢電極，17為金屬銻層，18為TiN上電極。圖中采用的鎢電極的直徑為250nm 左右，銻金屬的厚度為150nm， TiN的厚度為30nm。將上述結構的器件的電阻值設定到低電阻 時，采用脈沖寬度為50ns的電壓脈沖對器件進行編程，得到如圖4A所示的典型的曲線，可 見，器件單元經(jīng)過施加較低電壓的操作就能夠將器件設定到較高的電阻態(tài)；對高阻態(tài)的器件 進行直流V-I的掃描，曲線如圖4B所示，從圖看到，器件僅需要較低的電流和電壓就能夠實 現(xiàn)從高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉變。為了表征該器件的高溫下的數(shù)據(jù)保持能力，將器件在160度的 高溫下進行烘烤，同時對器件進行電阻的讀取，如圖5所示為得到的器件電阻隨烘烤時間的 變化，可見，器件的高阻狀態(tài)在較長時間的烘烤后依然處于高阻態(tài)，故，具有較好的數(shù)據(jù)保 持能力，可以作為非易失性存儲器的候選。
圖6A和6B所示，分別為對金屬銻進行微量金屬摻雜后得到材料組份的電阻隨溫度的變
化曲線，由此可見，即使在金屬銻中摻雜少量的具有較高導電率的金屬材料，都能夠使摻雜 后的材料具有電阻轉換的能力，具備在電阻轉換存儲器單元中應用的價值。
實施例3:
采用實施例1或實施例2的結構，再通過擴散處理，在金屬與電極(或者過渡層)的界 面附近形成因為擴散形成的薄層，薄層顯然是金屬材料與電極(或者過渡層)材料中各原子 的混合物。下面以有過渡層的結構為例。
如圖7所示，在金屬Sb層19和電極W20之間擁有Ti過渡層21，通過擴散就形成了層 22的薄層，薄層是Sb被來自擴散的Ti原子摻雜而成。通過圖6所示的結果，經(jīng)過適當擴散 后的特定的材料經(jīng)過擴散處理后，能夠在金屬材料與電極(或者過渡層)的界面形成具有電 阻轉換能力的材料層，從而能夠用作數(shù)據(jù)存儲。利用圖7的原理，通過擴散處理，在存儲單 元中的過渡層與金屬層的界面處形成具有電阻轉換能力的薄層，就能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。
權利要求
1、一種電阻轉換存儲器單元，包括一對電極以及設置于電極之間的儲存介質，其特征在于所述的儲存介質為在電信號作用下具有電阻轉換能力的金屬。
2、 按權利要求1所述的一種電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述的電極與金屬儲存介 質之間設有過渡層。
3、 按權利要求1所述的一種電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述的電極與金屬儲存介 質間的交界面經(jīng)擴散處理形成合金薄層，形成的合金薄層在電信號作用下具有電阻轉換能力。
4、 按權利要求2所述的一種電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述的過渡層與金屬儲存 介質間的交界面經(jīng)擴散處理形成薄層，形成的薄層在電信號作用下具有電阻轉換能力。
5、 按權利要求2或4中任一項所述的一種電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述的過渡 層材料為鈦、鎢、硅、鍺、鉭、鋁、銀、金、錫、鎳、銦、氧化物、氮化物中的一種或幾種 的組合。
6、 按權利要求1一4中任一項所述的一種電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述的金屬儲 存介質內含有摻雜原子，摻雜原子的原子百分比少于百分之十，摻雜材料種類為氮、氧、鈦、 鎢、硅、鍺、鉭、鋁、銀、金、錫、鎳、銦、氧化物、氮化物中的一種或幾種的組合。
7、 按權利要求1一4中任一項所述的一種電阻轉換存儲器單元，其特征在于所述的金屬儲 存介質為銻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電阻轉換存儲器單元，包括兩金屬電極以及處于電極對中間的金屬，采用電信號對存儲單元進行操作，器件單元在電信號的操作下可實現(xiàn)可逆的高電阻與低電阻之間的可逆轉變，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能?；蛘?，電極與金屬層之間也可以包括一層過渡層，經(jīng)過合理的預處理，使電極(或者過渡層)與金屬層之間的界面發(fā)生擴散，電極(或者過渡層)與金屬層之間相互的擴散效應改變了界面附近材料的組份，而特定的組份能夠在電信號的作用下實現(xiàn)電阻的可逆轉變，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。該種存儲器具有較快的速度和較低的功耗，數(shù)據(jù)保持能力優(yōu)良，是一種理想的存儲器。
文檔編號G11C11/56GK101420013SQ20081020335
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權日2008年11月25日
發(fā)明者波 劉, 宋志棠, 封松林, 挺 張, 陳邦明 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所