专利名称：带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子器件及存储器技术领域，尤其涉及一种基于二元过渡族金属氧
化物电阻转变特性的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器。
背景技术：
最近，电阻转变型随机存储器件(resistive random access memory, RRAM)由于具有简单的器件结构(金属_绝缘体_金属)、高的器件密度、低的功耗、快的编程/檫除速度等突出的优点，所以引起了国内外大公司和科研院所的高度关注。 电阻转变存储技术是以材料的电阻在电压的控制下可以在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的。有多种类型的材料被证明具有电阻转变特性(l)有机聚合物，如聚酰亚胺(PI) 、 AIDCN以及CuTCNQ等；(2)多元金属氧化物，如磁阻材料Pr。.7Ca。.3Mn03和La。.7Ca。.3Mn03等，掺杂的SrTi03和SrZr03等；(3) 二元过渡族金属氧化物，如NiO、 Nb205、CuOx、 Zr02、 Hf02、 Ta205、 Ti02等；(4)固态电解液材料，如CuS， AgS， AgGeSe等。二元氧化物由于材料制造比较简单，同时可以与当前的CMOS工艺完全的兼容，因而更加受到重视。
而对于RRAM器件的集成技术来说，目前主要分为1T1R、1D1R和1R三种结构。这三种集成技术中的一个器件单元需要占据的芯片面积分别为6F2、4F2和4F2。同时，对于高密度存储应用来说1D1R和IR结构更容易进行3D集成，因而在高密度应用和尺寸縮小方面1D1R和1R具有更大的优势。目前IR结构的集成遇到一个致命的问题，那就是集成的交叉阵列结构会出现误读和串扰(crosstalk)的现象。产生这种现象的原因是因为当一个电阻转变器件周围相邻的器件是低阻态时，通过这些器件会出现漏电通道(如图l)，因而对于这个电阻转变器件状态的判断就会出现误读的可能。 为了解决这个问题，研究人员将整流二极管串联到电阻转变存储器件上，这样就可以解决误读的现象。但是，目前整流二极管的电流密度最多只能提供1()5A/cm2，当电阻转变器件縮小到几十纳米时，整流二极管提供的电流密度不足以使电阻转变器件发生转变。
因此，寻找具有自整流效应的电阻转变型器件是解决高密度集成过程中出现误读和串扰现象的一个较好的方法。
发明内容
( — )要解决的技术问题 针对上述现有基于二元金属氧化物电阻转变特性的存储器阵列的误读与串扰现象，本发明的主要目的在于提供一种制造工艺简单、制造成本低的带有自整流效应的电阻转变型存储器器件。
( 二 )技术方案 为达到上述目的，本发明提出了一种带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，该非易失电阻转变型存储器由上Pt电极、下Pt电极、二元过渡族金属氧化物薄膜和PtO,界面层构成，其中，二元过渡族金属氧化物薄膜位于上Pt电极与下Pt电极之间，Pt0x
3界面层位于二元过渡族金属氧化物薄膜与下Pt电极之间。 上述方案中，所述上Pt电极和下Pt电极采用电子束蒸发、磁控溅射或原子层沉积 的方法制作而成。 上述方案中，所述二元过渡族金属氧化物薄膜采用的材料为Zr02、NiO、Ti02、CuOx、 Zn0、 Hf 02和TaOx中的一种。 上述方案中，所述二元过渡族金属氧化物薄膜的厚度为20 200nm。 上述方案中，所述二元过渡族金属氧化物薄膜采用电子束蒸发、磁控溅射、溶
胶_凝胶法或原子层沉积的方法制作而成。 上述方案中，所述PtOx界面层的厚度为1 10nm。 上述方案中，所述PtO,界面层采用热氧氧化或等离子体氧化方法制作而成。
(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、利用本发明，器件的加工工艺与传统CMOS工艺兼容。 2、本发明提供的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，可以极大的改善存 储交叉阵列的误读和互扰现象，极大的提高存储阵列的存储密度，为0T/1R型的存储器交 叉阵列的大规模集成打下基础。 3、本发明提供的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，具有结构简单，易 集成，成本低，与传统的硅平面CMOS工艺兼容等优点，有利于本发明的广泛推广和应用。
4、本发明提供的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，引入的PtOx界面层 可以充当电子势垒的作用，使得从正电极注入到负电极的电子要越过这个额外的势垒，从 而减小了负电极到正电极的电流，起到一个整流二级管的作用。这种带有自整流效应的二 元氧化物电阻转变型存储器可以应用在0T/1R型的存储器交叉阵列中，从而达到提高存储 密度的目的。
图1是1R集成交叉阵列中的漏电通道示意图。 图2是电阻转变型存储器器件的基本结构示意图；201为上电极，302为下电极， 403为功能层。 图3是带有自整流效应的二元金属氧化物非易失电阻转变型存储器器件的结构 示意图；301为Pt上电极，302为Pt下电极，303为二元过渡族金属氧化物薄膜，304为PtOx 界面层。 图4是带有自整流效应的二元金属氧化物非易失电阻转变型存储器器件的等效 电路示意图，其等效为 一个可变电阻串联一个二极管。 图5是带有自整流效应的二元金属氧化物非易失电阻转变型存储器器件的电流 电压曲线。 图6是自整流效应的二元金属氧化物非易失电阻转变型存储器器件的能带示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照
4附图，对本发明进一步详细说明。 如图3所示，图3是带有自整流效应的二元金属氧化物非易失电阻转变型存储器器件的结构示意图，该非易失电阻转变型存储器由上Pt电极301、下Pt电极302、二元过渡族金属氧化物薄膜303和PtOx界面层304构成，其中，二元过渡族金属氧化物薄膜303位于上Pt电极与下Pt电极之间，PtO,界面层304位于二元过渡族金属氧化物薄膜与下Pt电极之间。 所述上Pt电极和下Pt电极采用电子束蒸发、磁控溅射或原子层沉积的方法制作而成。 所述二元过渡族金属氧化物薄膜采用的材料为Zr02、 NiO、 Ti02、 CuOx、 ZnO、 Hf02和
TaOx中的一种，二元过渡族金属氧化物薄膜的厚度为20 200nm，二元过渡族金属氧化物
薄膜采用电子束蒸发、磁控溅射、溶胶_凝胶法或原子层沉积的方法制作而成。 所述PtO,界面层的厚度为1 lOnm，所述PtO,界面层采用热氧氧化或等离子体
氧化方法制作而成。 在淀积二元过渡族金属氧化物之前对Pt下电极进行氧化处理，这样在二元过渡族金属氧化物与下电极之间生成PtOx界面层。Pt下电极与二元过渡族金属氧化物之间的PtOx层起到电子势垒的作用，阻碍了电子从正电极流向负电极，从而具有自整流的作用。自整流效应可以减小非易失电阻转变型存储器交叉阵列的误读现象，使用在0T/1R存储阵列上可以极大的提高存储密度。 在本发明的一个实施例中，在标准工艺清洗的Si衬底上热生长一层200nm的Si02绝缘层，利用电子束蒸发工艺，在Si02层上先后淀积一层20nm的Ti和80nm的Pt薄膜，然后采用高温热氧化的工艺在Pt衬底上生长一层PtOx薄膜；接着利用磁控溅射手段生长50nm的ZnO薄膜，最后利用光学光刻和剥离技术形成Pt上电极完成整个器件的基本结构。
图5是用来说明本发明一个实施例的电流与电压曲线图，由I-V曲线我们可以得到这种结构的器件具有明显的整流特性。 图6是用来说明本发明一个实施例的器件能带示意图。由这个能带图我们可以知道这种整流现象的出现是由PtOx界面层引起的。 由上述可知，在本发明的实施例中，通过氧化引入一层PtO,界面层可以产生自整流效应，这是因为引入的PtO,界面层可以充当电子势垒的作用，使得从正电极注入到负电极的电子要越过这个额外的势垒，从而减小了负电极到正电极的电流，起到一个整流二级管的作用。这种带有自整流效应的二元氧化物电阻转变型存储器可以应用在0T/1R型的存储器交叉阵列中，从而达到提高存储密度的目的。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，其特征在于，该非易失电阻转变型存储器由上Pt电极、下Pt电极、二元过渡族金属氧化物薄膜和PtOx界面层构成，其中，二元过渡族金属氧化物薄膜位于上Pt电极与下Pt电极之间，PtOx界面层位于二元过渡族金属氧化物薄膜与下Pt电极之间。
2. 根据权利要求1所述的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，其特征在于， 所述上Pt电极和下Pt电极采用电子束蒸发、磁控溅射或原子层沉积的方法制作而成。
3. 根据权利要求1所述的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，其特征在于， 所述二元过渡族金属氧化物薄膜采用的材料为Zr02、NiO、Ti02、CuOx、ZnO、Hf02和TaOx中的 一种。
4. 根据权利要求1所述的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，其特征在于， 所述二元过渡族金属氧化物薄膜的厚度为20 200nm。
5. 根据权利要求1所述的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，其特征在于， 所述二元过渡族金属氧化物薄膜采用电子束蒸发、磁控溅射、溶胶_凝胶法或原子层沉积 的方法制作而成。
6. 根据权利要求1所述的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，其特征在于， 所述PtOx界面层的厚度为1 10nm。
7. 根据权利要求1所述的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，其特征在于， 所述PtOx界面层采用热氧氧化或等离子体氧化方法制作而成。
全文摘要
本发明公开了一种带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，该非易失电阻转变型存储器由上Pt电极、下Pt电极、二元过渡族金属氧化物薄膜和PtOx界面层构成，其中，二元过渡族金属氧化物薄膜位于上Pt电极与下Pt电极之间，PtOx界面层位于二元过渡族金属氧化物薄膜与下Pt电极之间。本发明提供的带有自整流效应的非易失电阻转变型存储器，具有结构简单，易集成，成本低，与传统的硅平面CMOS工艺兼容等优点，有利于本发明的广泛推广和应用。
文档编号G11C11/56GK101783388SQ200910077518
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者刘明, 刘琦, 管伟华, 龙世兵 申请人:中国科学院微电子研究所