專利名稱：帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子器件及存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于二元過渡族金屬氧
化物電阻轉(zhuǎn)變特性的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
最近，電阻轉(zhuǎn)變型隨機(jī)存儲(chǔ)器件(resistive random access memory, RRAM)由于具有簡單的器件結(jié)構(gòu)(金屬_絕緣體_金屬)、高的器件密度、低的功耗、快的編程/檫除速度等突出的優(yōu)點(diǎn)，所以引起了國內(nèi)外大公司和科研院所的高度關(guān)注。 電阻轉(zhuǎn)變存儲(chǔ)技術(shù)是以材料的電阻在電壓的控制下可以在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的。有多種類型的材料被證明具有電阻轉(zhuǎn)變特性(l)有機(jī)聚合物，如聚酰亞胺(PI) 、 AIDCN以及CuTCNQ等；(2)多元金屬氧化物，如磁阻材料Pr。.7Ca。.3Mn03和La。.7Ca。.3Mn03等，摻雜的SrTi03和SrZr03等；(3) 二元過渡族金屬氧化物，如NiO、 Nb205、CuOx、 Zr02、 Hf02、 Ta205、 Ti02等；(4)固態(tài)電解液材料，如CuS， AgS， AgGeSe等。二元氧化物由于材料制造比較簡單，同時(shí)可以與當(dāng)前的CMOS工藝完全的兼容，因而更加受到重視。
而對于RRAM器件的集成技術(shù)來說，目前主要分為1T1R、1D1R和1R三種結(jié)構(gòu)。這三種集成技術(shù)中的一個(gè)器件單元需要占據(jù)的芯片面積分別為6F2、4F2和4F2。同時(shí)，對于高密度存儲(chǔ)應(yīng)用來說1D1R和IR結(jié)構(gòu)更容易進(jìn)行3D集成，因而在高密度應(yīng)用和尺寸縮小方面1D1R和1R具有更大的優(yōu)勢。目前IR結(jié)構(gòu)的集成遇到一個(gè)致命的問題，那就是集成的交叉陣列結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)誤讀和串?dāng)_(crosstalk)的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)楫?dāng)一個(gè)電阻轉(zhuǎn)變器件周圍相鄰的器件是低阻態(tài)時(shí)，通過這些器件會(huì)出現(xiàn)漏電通道(如圖l)，因而對于這個(gè)電阻轉(zhuǎn)變器件狀態(tài)的判斷就會(huì)出現(xiàn)誤讀的可能。 為了解決這個(gè)問題，研究人員將整流二極管串聯(lián)到電阻轉(zhuǎn)變存儲(chǔ)器件上，這樣就可以解決誤讀的現(xiàn)象。但是，目前整流二極管的電流密度最多只能提供1()5A/cm2，當(dāng)電阻轉(zhuǎn)變器件縮小到幾十納米時(shí)，整流二極管提供的電流密度不足以使電阻轉(zhuǎn)變器件發(fā)生轉(zhuǎn)變。
因此，尋找具有自整流效應(yīng)的電阻轉(zhuǎn)變型器件是解決高密度集成過程中出現(xiàn)誤讀和串?dāng)_現(xiàn)象的一個(gè)較好的方法。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術(shù)問題 針對上述現(xiàn)有基于二元金屬氧化物電阻轉(zhuǎn)變特性的存儲(chǔ)器陣列的誤讀與串?dāng)_現(xiàn)象，本發(fā)明的主要目的在于提供一種制造工藝簡單、制造成本低的帶有自整流效應(yīng)的電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器器件。
( 二 )技術(shù)方案 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，該非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器由上Pt電極、下Pt電極、二元過渡族金屬氧化物薄膜和PtO,界面層構(gòu)成，其中，二元過渡族金屬氧化物薄膜位于上Pt電極與下Pt電極之間，Pt0x
3界面層位于二元過渡族金屬氧化物薄膜與下Pt電極之間。 上述方案中，所述上Pt電極和下Pt電極采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射或原子層沉積 的方法制作而成。 上述方案中，所述二元過渡族金屬氧化物薄膜采用的材料為Zr02、NiO、Ti02、CuOx、 Zn0、 Hf 02和TaOx中的一種。 上述方案中，所述二元過渡族金屬氧化物薄膜的厚度為20 200nm。 上述方案中，所述二元過渡族金屬氧化物薄膜采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射、溶
膠_凝膠法或原子層沉積的方法制作而成。 上述方案中，所述PtOx界面層的厚度為1 10nm。 上述方案中，所述PtO,界面層采用熱氧氧化或等離子體氧化方法制作而成。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、利用本發(fā)明，器件的加工工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容。 2、本發(fā)明提供的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，可以極大的改善存 儲(chǔ)交叉陣列的誤讀和互擾現(xiàn)象，極大的提高存儲(chǔ)陣列的存儲(chǔ)密度，為0T/1R型的存儲(chǔ)器交 叉陣列的大規(guī)模集成打下基礎(chǔ)。 3、本發(fā)明提供的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，具有結(jié)構(gòu)簡單，易 集成，成本低，與傳統(tǒng)的硅平面CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，有利于本發(fā)明的廣泛推廣和應(yīng)用。
4、本發(fā)明提供的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，引入的PtOx界面層 可以充當(dāng)電子勢壘的作用，使得從正電極注入到負(fù)電極的電子要越過這個(gè)額外的勢壘，從 而減小了負(fù)電極到正電極的電流，起到一個(gè)整流二級管的作用。這種帶有自整流效應(yīng)的二 元氧化物電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器可以應(yīng)用在0T/1R型的存儲(chǔ)器交叉陣列中，從而達(dá)到提高存儲(chǔ) 密度的目的。


圖1是1R集成交叉陣列中的漏電通道示意圖。 圖2是電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器器件的基本結(jié)構(gòu)示意圖；201為上電極，302為下電極， 403為功能層。 圖3是帶有自整流效應(yīng)的二元金屬氧化物非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器器件的結(jié)構(gòu) 示意圖；301為Pt上電極，302為Pt下電極，303為二元過渡族金屬氧化物薄膜，304為PtOx 界面層。 圖4是帶有自整流效應(yīng)的二元金屬氧化物非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器器件的等效 電路示意圖，其等效為 一個(gè)可變電阻串聯(lián)一個(gè)二極管。 圖5是帶有自整流效應(yīng)的二元金屬氧化物非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器器件的電流 電壓曲線。 圖6是自整流效應(yīng)的二元金屬氧化物非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器器件的能帶示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照
4附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。 如圖3所示，圖3是帶有自整流效應(yīng)的二元金屬氧化物非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器器件的結(jié)構(gòu)示意圖，該非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器由上Pt電極301、下Pt電極302、二元過渡族金屬氧化物薄膜303和PtOx界面層304構(gòu)成，其中，二元過渡族金屬氧化物薄膜303位于上Pt電極與下Pt電極之間，PtO,界面層304位于二元過渡族金屬氧化物薄膜與下Pt電極之間。 所述上Pt電極和下Pt電極采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射或原子層沉積的方法制作而成。 所述二元過渡族金屬氧化物薄膜采用的材料為Zr02、 NiO、 Ti02、 CuOx、 ZnO、 Hf02和
TaOx中的一種，二元過渡族金屬氧化物薄膜的厚度為20 200nm，二元過渡族金屬氧化物
薄膜采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射、溶膠_凝膠法或原子層沉積的方法制作而成。 所述PtO,界面層的厚度為1 lOnm，所述PtO,界面層采用熱氧氧化或等離子體
氧化方法制作而成。 在淀積二元過渡族金屬氧化物之前對Pt下電極進(jìn)行氧化處理，這樣在二元過渡族金屬氧化物與下電極之間生成PtOx界面層。Pt下電極與二元過渡族金屬氧化物之間的PtOx層起到電子勢壘的作用，阻礙了電子從正電極流向負(fù)電極，從而具有自整流的作用。自整流效應(yīng)可以減小非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器交叉陣列的誤讀現(xiàn)象，使用在0T/1R存儲(chǔ)陣列上可以極大的提高存儲(chǔ)密度。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在標(biāo)準(zhǔn)工藝清洗的Si襯底上熱生長一層200nm的Si02絕緣層，利用電子束蒸發(fā)工藝，在Si02層上先后淀積一層20nm的Ti和80nm的Pt薄膜，然后采用高溫?zé)嵫趸墓に囋赑t襯底上生長一層PtOx薄膜；接著利用磁控濺射手段生長50nm的ZnO薄膜，最后利用光學(xué)光刻和剝離技術(shù)形成Pt上電極完成整個(gè)器件的基本結(jié)構(gòu)。
圖5是用來說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電流與電壓曲線圖，由I-V曲線我們可以得到這種結(jié)構(gòu)的器件具有明顯的整流特性。 圖6是用來說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的器件能帶示意圖。由這個(gè)能帶圖我們可以知道這種整流現(xiàn)象的出現(xiàn)是由PtOx界面層引起的。 由上述可知，在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過氧化引入一層PtO,界面層可以產(chǎn)生自整流效應(yīng)，這是因?yàn)橐氲腜tO,界面層可以充當(dāng)電子勢壘的作用，使得從正電極注入到負(fù)電極的電子要越過這個(gè)額外的勢壘，從而減小了負(fù)電極到正電極的電流，起到一個(gè)整流二級管的作用。這種帶有自整流效應(yīng)的二元氧化物電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器可以應(yīng)用在0T/1R型的存儲(chǔ)器交叉陣列中，從而達(dá)到提高存儲(chǔ)密度的目的。 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，其特征在于，該非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器由上Pt電極、下Pt電極、二元過渡族金屬氧化物薄膜和PtOx界面層構(gòu)成，其中，二元過渡族金屬氧化物薄膜位于上Pt電極與下Pt電極之間，PtOx界面層位于二元過渡族金屬氧化物薄膜與下Pt電極之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，其特征在于， 所述上Pt電極和下Pt電極采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射或原子層沉積的方法制作而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，其特征在于， 所述二元過渡族金屬氧化物薄膜采用的材料為Zr02、NiO、Ti02、CuOx、ZnO、Hf02和TaOx中的 一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，其特征在于， 所述二元過渡族金屬氧化物薄膜的厚度為20 200nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，其特征在于， 所述二元過渡族金屬氧化物薄膜采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射、溶膠_凝膠法或原子層沉積 的方法制作而成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，其特征在于， 所述PtOx界面層的厚度為1 10nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，其特征在于， 所述PtOx界面層采用熱氧氧化或等離子體氧化方法制作而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，該非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器由上Pt電極、下Pt電極、二元過渡族金屬氧化物薄膜和PtOx界面層構(gòu)成，其中，二元過渡族金屬氧化物薄膜位于上Pt電極與下Pt電極之間，PtOx界面層位于二元過渡族金屬氧化物薄膜與下Pt電極之間。本發(fā)明提供的帶有自整流效應(yīng)的非易失電阻轉(zhuǎn)變型存儲(chǔ)器，具有結(jié)構(gòu)簡單，易集成，成本低，與傳統(tǒng)的硅平面CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，有利于本發(fā)明的廣泛推廣和應(yīng)用。
文檔編號G11C11/56GK101783388SQ200910077518
公開日2010年7月21日 申請日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者劉明, 劉琦, 管偉華, 龍世兵 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所