專利名稱：包括n+界面層的可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非易失性存儲(chǔ)器，更特別地，涉及通過(guò)在由普通金屬形成的 下電極與緩沖層之間包括n+界面層而以低操作電壓操作的可變電阻隨機(jī)存 取存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
具有高集成密度、高速操作特性、和低操作電壓的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是更優(yōu) 越的。
常規(guī)存儲(chǔ)器包括連接到存儲(chǔ)單元的多個(gè)電路。在作為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的代 表的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的情況下，單位存儲(chǔ)單元通常包括一個(gè) 開(kāi)關(guān)和一個(gè)電容器。DRAM具有高集成密度和高操作速度。然而，所存儲(chǔ)的 數(shù)據(jù)在關(guān)閉電源后被擦除。
非易失性存儲(chǔ)器在電源被關(guān)閉后能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，這樣的非易失性 存儲(chǔ)器的例子是閃存(flashmemory)。閃存是非易失性存儲(chǔ)器，其與易失性存 儲(chǔ)器的區(qū)別在于非易失性存儲(chǔ)器比DRAM具有較低的集成密度和較慢的操 作速度。
正在對(duì)非易失性存儲(chǔ)器進(jìn)行很多研究，包括磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (MRAM )、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM )、相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(PRAM )、 及電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)。
上述非易失性存儲(chǔ)器中，RRAM主要利用取決于過(guò)渡氧化物的電壓的可 變電阻特性。
圖1A是橫截面圖，示出使用可變電阻材料的具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的RRAM的 結(jié)構(gòu)。使用過(guò)渡金屬氧化物作為可變電阻材料的RRAM器件具有開(kāi)關(guān)特性 以用作存儲(chǔ)器。
參照?qǐng)D1A， RRAM具有其中下電極12、氧化物層14、和上電極16順 序形成在襯底10上的結(jié)構(gòu)。下電極12和上電極16由普通導(dǎo)電金屬形成， 氧化物層14由具有可變電阻特性的過(guò)渡金屬氧化物形成。該過(guò)渡金屬氣化
物包括ZnO、 Ti02、 Nb205、 Zr02、 NiO等。
圖1B是曲線圖，示出圖1A所示的非易失性可變電阻存儲(chǔ)器的操作特 性。更具體地，電流通過(guò)對(duì)樣品施加電壓來(lái)測(cè)量，樣品中下電極12由Ru形 成，氧化物層14由NiO形成，上電極16由Ru形成。參照?qǐng)D1B，當(dāng)在第 一開(kāi)關(guān)周期施加約0.7V到樣品時(shí)，重置電流為約3mA。然而，在50個(gè)開(kāi)關(guān) 周期之后，重置電流增加到約50mA。隨著開(kāi)關(guān)周期被重復(fù)，氧化物層14 的電阻狀態(tài)繼續(xù)改變，操作電壓和重置電壓增大，因而降低了非易失性可變 電阻存儲(chǔ)器的可靠性。因此，需要能具有穩(wěn)定操作特性的存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。
由于在閃存器件中高集成是結(jié)構(gòu)上困難的，所以對(duì)交叉點(diǎn)(cross-point) 型存儲(chǔ)器進(jìn)行了很多研究。因此，需要開(kāi)發(fā)利用可變電阻材料的具有新結(jié)構(gòu) 的交叉點(diǎn)型存儲(chǔ)器。
另外，還需要具有使用普通金屬代替昂貴的貴金屬的下電極的存儲(chǔ)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種非易失性存儲(chǔ)器，通過(guò)在下電極和可變電阻氧化物層之 間包括緩沖層且在該緩沖層和該下電極之間包括n+界面層，即使重復(fù)進(jìn)行 開(kāi)關(guān)操作時(shí)該非易失性存儲(chǔ)器也具有穩(wěn)定的重置電流。
本發(fā)明還提供通過(guò)使用普通金屬作為下電極而具有低制造成本的高集 成存儲(chǔ)器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括下 電極；n+界面層，其形成在所述下電極上；形成在所述n+界面層上的緩沖 層；氧化物層，其形成在所述緩沖層上并具有可變電阻特性；以及上電極， 其形成在所述氧化物層上。
所述氧化物層可由p型過(guò)渡金屬氧化物形成。
所述氧化物層可以是Ni氧化物層。
所述n+界面層可以由選自包括ZnOx、 TiOx和IZOx的欠氧(oxygen deficicent)氧化物、及包括ZnO、 TiO和IZO的高度摻雜以n型雜質(zhì)的氧化 物構(gòu)成的組的至少一種形成。
該下電極可以由選自包括Ni、 Co、 Cr、 W、 Cu、 Ti、或這些金屬的合 金的組的一種形成。
所述緩沖層可以由n型氧化物形成。
所述緩沖層可以由選自包括Ir氧化物、Ru氧化物、Zn氧化物、和IZO 的組的至少一種形成。
所述n+界面層和所述緩沖層可以由相同材料形成。


通過(guò)參照附圖詳細(xì)描述其示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu) 點(diǎn)將變得更加明顯，附圖中
圖1A是橫截面圖，示出了使用可變電阻材料具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的電阻隨機(jī) 存取存儲(chǔ)器(RRAM)的結(jié)構(gòu)；
圖1B是曲線圖，示出了圖1A所示的非易失性可變電阻存儲(chǔ)器的操作 特性；
圖2是曲線圖，示出了其中緩沖層形成在下電極上的RRAM的重置電
流根據(jù)開(kāi)關(guān)周期數(shù)目的變化；
圖3是曲線圖，示出使用鎢作為下電極的RRAM器件的電流特性；
圖4是橫截面圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例具有n+界面層的可變電阻
隨機(jī)存取存儲(chǔ)器；
圖5是能帶圖，示出n-IZO (緩沖層)和W (下電極)之間的肖特基接
觸；
圖6是當(dāng)n+界面層形成在n-緩沖層和由普通金屬形成的下電極之間時(shí) 的能帶圖7是散點(diǎn)圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的重置電流變化與 開(kāi)關(guān)周期數(shù)目的關(guān)系；
圖8是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例使用可變電阻的存儲(chǔ)器的操作原理。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的具有n+界面層的可變電阻隨機(jī)存取 存儲(chǔ)器。附圖中，為清晰起見(jiàn)，層和區(qū)域的厚度和寬度被放大。
圖2是曲線圖，示出其中緩沖層形成在下電極上的電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RRAM)的重置電流變化與開(kāi)關(guān)周期數(shù)目的關(guān)系。
參照?qǐng)D2，RRAM器件包括由Ru形成的下電極、由ZnO形成的緩沖層、
和由NiO形成的可變電阻氧化物層。該RRAM器件具有4.5mA的平均重置 電流，其是較低重置電流，且具有比常規(guī)RRAM (參照?qǐng)DIB)低的重置電 流偏差
圖3是曲線圖，示出包括普通金屬鎢形成的下電極的RRAM器件的電 流特性。由IZO形成的緩沖層、由NiO形成的可變電阻氧化物層、和由Ni 形成的上電極順序形成在下電極上。
參照?qǐng)D3，較高電壓(6V)施加到使用W形成的下電極的RRAM器件 后，當(dāng)重置電流增加時(shí)發(fā)生存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)擊穿。因此，當(dāng)下電極簡(jiǎn)單地由普通金 屬形成時(shí)該RRAM器件不能作為存儲(chǔ)器工作。
圖4是橫截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例具有n+界面層的可變電 阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
參照?qǐng)D4，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的具有n+界面層的可變電阻隨機(jī)存取存 儲(chǔ)器包括下電極20。 n+界面層22、 n型緩沖層24、可變電阻氧化物層26、 和上電極28順序形成在下電極20上。
下電才及20可以由普通金屬諸如Ni、 Co、 Cr、 W、 Cu、 Ti或這些金屬的 合金形成。當(dāng)在下電極20中使用普通金屬時(shí)，可降低存儲(chǔ)器的制造成本。 在本實(shí)施例中，普通金屬用在下電極20中，但本發(fā)明不限于此，即，下電 極20也可以由貴金屬形成。
n+界面層22可由欠氧n型氧化物半導(dǎo)體諸如IZOx、 ZnOx、或TiOx形 成。另外，n+界面層22可由高度摻雜以摻雜劑的IZO、 ZnO、或TiO形成。
n型緩沖層24是n型氧化物，且可以由欠氧氧化物諸如IZOx、 IrOx、 RuOx、 ZnOx、或TiOx，或者摻雜以摻雜劑的氧化物諸如IZO、 IrO、 RuO、 ZnO、或TiO形成。
n+界面層22和n型緩沖層24可由相同材料形成從而降低制造成本，且 n+界面層22被摻雜以比摻雜到n型緩沖層24的摻雜劑高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的摻雜 劑。
可變電阻氧化物層26可以由上述諸如ZnO、 Ti02、 Nb205、 Zr02、或 NiO的過(guò)渡金屬氧化物形成。
上電極28可由Pt或Ti形成。
當(dāng)下電極20由普通金屬諸如鵠(W)形成時(shí)，下電極22的功函數(shù)較低。 在該情況下，肖特基接觸形成在下電極20與緩沖層24例如n- IZO層之間的
界面處。當(dāng)肖特基接觸形成在下電極20和緩沖層24之間時(shí)，由于結(jié)電阻而 會(huì)產(chǎn)生電壓降和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)退化。結(jié)果，存儲(chǔ)器的操作特性削弱，或者如圖3 所示，會(huì)發(fā)生存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的擊穿。圖5是能帶圖，示出n-IZO (緩沖層)和W (下電極)之間的肖特基接觸。
圖6是當(dāng)n+界面層22形成在n-緩沖層24和由普通金屬形成的下電極 20之間時(shí)的能帶圖?？尚纬捎蒼- IZO層/n十IZO層/W層的復(fù)合物構(gòu)成的結(jié) 層。
參照?qǐng)D6，下電極20的功函數(shù)比n+IZO層(n+界面層22)大。因此， n+ IZO層與W層之間形成歐姆接觸。結(jié)果，由于下電極20和n型緩沖層 24之間的勢(shì)壘(barrier)形成地薄，所以電阻能夠在下電極20和n型緩沖層 24之間自由轉(zhuǎn)移。
圖7是散點(diǎn)圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的重置電流變化與 開(kāi)關(guān)周期數(shù)目的關(guān)系。更具體地，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的存儲(chǔ)器包括順序形 成在由具有20nm厚度的W形成的下電極20上的具有20nm厚度的n+ IZO 界面層、由具有20nm厚度的n- IZO形成的緩沖層、具有50nm厚度的p- NiO 層、和由具有20nm厚度的Ni形成的上層28。參照?qǐng)D7，存儲(chǔ)器具有非常低 的重置電流變化，并具有1.2mA的重置電流水平。如圖6所示，低重置電流 解釋為根據(jù)本發(fā)明在下電極20和n型緩沖層24之間n+界面層22的形成減 小了下電極20和n型緩沖層24之間勢(shì)壘的厚度，因此，電子穿過(guò)非常薄的 勢(shì)壘在下電極20和n型緩沖層24之間容易地轉(zhuǎn)移。
上述根據(jù)本發(fā)明的包括可變電阻材料的非易失性存儲(chǔ)器可通過(guò)諸如濺 射、原子層沉積(ALD)法的PVD法或化學(xué)氣相沉積(CVD)法制造。下 電極20、 n+界面層22、 n型緩沖層24、可變電阻氧化物層26、和上電極28 的厚度不被限制，可以形成為從數(shù)納米到數(shù)微米。在圖2中，示出了單位器 件的結(jié)構(gòu)，但根據(jù)本發(fā)明的包括可變電阻材料的非易失性存儲(chǔ)器可用在交叉 點(diǎn)型陣列中。
使用可變電阻的存儲(chǔ)器具有兩種電阻狀態(tài)，現(xiàn)在將參照?qǐng)D8說(shuō)明該存儲(chǔ) 器的操作原理。
圖8是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例使用可變電阻的存儲(chǔ)器的操作 原理。參照?qǐng)D8，當(dāng)向存儲(chǔ)器施加的電壓從OV逐漸增加時(shí)，電流沿曲線G1 與所施加的電壓成比例地增加。然而，當(dāng)施加比V,高的電壓時(shí)，電流由于
存儲(chǔ)器電阻的快速增大而降低。當(dāng)V,與V2之間范圍內(nèi)的電壓被施加時(shí)，電 流沿曲線G2增加。當(dāng)高于V2的電壓例如電壓V3被施加到存儲(chǔ)器時(shí)，由于
存儲(chǔ)器電阻的快速降低而電流回到沿曲線G1增加。當(dāng)施加小于V,的電壓時(shí)， 向存儲(chǔ)器施加的高于V,的電壓影響存儲(chǔ)器的電特性，現(xiàn)在將對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。 V,到V2范圍內(nèi)的電壓施加到存儲(chǔ)器之后，小于V,的電壓再次施加到存 儲(chǔ)器，則存儲(chǔ)器的電流遵循曲線G2。另一方面，當(dāng)高于V2的電壓例如V3 施加到存儲(chǔ)器之后，小于V,的電壓施加到存儲(chǔ)器，則電流如圖8所示遵循 Gl。從該結(jié)果可以看出，存儲(chǔ)器的電特性根據(jù)施加到存儲(chǔ)器的電壓的大小(在 V,到V2或大于V2的范圍)而受到影響。結(jié)果看出，具有可變電阻材料即過(guò) 渡金屬氧化物的存儲(chǔ)器可以應(yīng)用到非易失性存儲(chǔ)器。例如，通過(guò)指定當(dāng)如圖 8所示V,到V2范圍內(nèi)的電壓施加到存儲(chǔ)器時(shí)存儲(chǔ)器的狀態(tài)為"0"，并指定 當(dāng)大于V2的電壓被施加時(shí)存儲(chǔ)器的狀態(tài)為"1",數(shù)據(jù)被記錄到存儲(chǔ)器中。 再現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)向存儲(chǔ)器施加小于V,的電壓測(cè)量氧化物層中的電流，這 樣，能夠確定存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)處于"0"狀態(tài)或"1"狀態(tài)。狀態(tài)"1" 和狀態(tài)"0"的指定可以反過(guò)來(lái)。
儲(chǔ)器可用作交叉點(diǎn)型存儲(chǔ)器而對(duì)于高集成是有利的。另外，通過(guò)在下電極和 n緩沖層之間包括n+界面層，該存儲(chǔ)器具有穩(wěn)定的操作特性。此外，下電極 可以由便宜的普通金屬形成，因而降低了制造成本。
盡管本發(fā)明參照其實(shí)施例進(jìn)行了特定示出和描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠 理解，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所定義的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行形 式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括下電極；n+界面層，形成在所述下電極上；形成在所述n+界面層上的緩沖層；氧化物層，其形成在所述緩沖層上并具有可變電阻特性；及上電極，形成在所述氧化物層上。
2. 如權(quán)利要求1的可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述氧化物層由p 型過(guò)渡金屬氧化物形成。
3. 如權(quán)利要求1的可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述氧化物層是Ni 氧化物層。
4. 如權(quán)利要求1的可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述n+界面層由選 自包括ZnOx、 TiOx和IZOx的欠氧氧化物，及包括ZnO、 TiO和IZO的高 度摻雜以n型雜質(zhì)的氧化物構(gòu)成的組的至少一種形成。
5. 如權(quán)利要求1的可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述下電極由選自 Ni、 Co、 Cr、 W、 Cu、 Ti、或這些金屬的合金構(gòu)成的組的一種形成。
6. 如權(quán)利要求1的可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述緩沖層由n型 氧化物形成。
7. 如權(quán)利要求6的可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述緩沖層由選自 Ir氧化物、Ru氧化物、Zn氧化物、和IZO構(gòu)成的組的至少一種形成。
8. 如權(quán)利要求1的可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述n+界面層和所 述緩沖層由相同材料形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有n+界面層的可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。該可變電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器包括下電極、形成在所述下電極上的n+界面層、形成在所述n+界面層上的緩沖層、形成在所述緩沖層上并具有可變電阻特性的氧化物層、及形成在所述氧化物層上的上電極。
文檔編號(hào)H01L27/24GK101097988SQ200610160399
公開(kāi)日2008年1月2日 申請(qǐng)日期2006年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者埃爾·M·鮑里姆, 斯蒂法諾維奇·金瑞克, 李殷洪, 趙重來(lái) 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社