CN101212019A - 一种电阻式随机存取存储器的存储单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电阻式随机存取存储器的存储单元及其制备方法，属非挥发性存储器件技术领域。该存储单元包括：衬底和金属－绝缘－金属(MIM)结构电阻器，MIM结构电阻器中两金属作为顶电极和底电极，绝缘体为掺杂金属元素的二氧化钛氧化物薄膜。其制备方法是采用溶胶－凝胶旋涂法、化学气相淀积、溅射等方法结合退火工艺，在金属/二氧化硅/硅上制备掺杂金属元素的二氧化钛氧化物薄膜，再在氧化物薄膜上制作顶金属电极，形成了一具有优异双稳态电阻转变和记忆特性的电阻式随机存取存储器的存储单元。
Description
技术领域
本发明涉及非挥发性存储器件技术领域，尤其涉及一种具有优异双稳态电阻转变和记忆特性的电阻式随机存取存储器的存储单元及其制备方法。
背景技术
非挥发性存储器具有在无电源供应时仍能保持数据信息的优点，在信息存储领域具有非常重要的地位，也是当前信息存储技术的研究热点之一。然而，当今的主流非挥发存储器-闪存(flash)存在操作电压高、速度慢、耐久力差等问题。电阻式随机存取存储器RRAM(Resistance Random Access Memory)已经表现出工作速度快，存储密度高，数据保持时间长，耐久力强等优点，是下一代半导体存储器强有力的候选者。RRAM的基本存储单元包括一个金属-绝缘体-金属(MIM)结构电阻器。借由电压或电流脉冲，可以使MIM结构的电阻在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除。RRAM工作的关键是某些材料的电阻转变和记忆效应，在电压或电流作用下这些材料的电阻可以发生可逆的、巨大的改变。
许多种氧化物半导体薄膜，比如TiO2，NiO和CuxO等已经表现出了电阻转变和记忆特性。这些材料具有简单的二元结构，易于和当前传统的半导体器件制备工艺集成，引起了人们广泛的研究兴趣。对于实际的电阻式存储器件应用来说，减小开启(Set-V)和恢复(reset-V)电压，扩大开启和恢复电压之间的窗口，提高高低电阻态的阻值差异以及增强可靠性等是非常必要的。目前，如何使RRAM器件具有优异电阻转变和记忆特性是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异双稳态电阻转变和记忆特性的电阻式随机存取存储器件的存储单元及其制备方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：
一种电阻式随机存取存储器的存储单元，包括：衬底和金属-绝缘体-金属(MIM)结构电阻器，MIM结构电阻器中两层金属分别作为顶电极和底电极，绝缘体为掺杂金属元素(M)的二氧化钛(TiO2)氧化物薄膜。
掺杂的元素M可以为稀土元素钆(Gd)、铈(Ce)以及过渡金属元素铬(Cr)、钴(Co)或铝(Al)。
掺杂元素M与Ti的原子比x范围为0＜x≤0.2。
底电极为铂/钛(Pt/Ti)，金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)。
顶电极为Pt、W或者Al。
一种电阻式随机存取存储器的存储单元制备方法，其步骤包括：
1)选择二氧化硅(SiO2)和硅(Si)为衬底材料；
2)利用溅射法在衬底上制备金属薄膜作为底电极；
3)在底电极上制备掺杂金属元素(M)的二氧化钛(TiO2)氧化物薄膜；
4)利用溅射法在氧化物薄膜上制备金属薄膜；
5)利用光刻、刻蚀的方法将上一步获得的金属薄膜制备出电极图形，作为顶电极。
步骤1利用热氧化或化学气相沉积(CVD)的方法将SiO2隔离介质层生长在单晶Si上，作为衬底。
步骤2利用溅射的方法在衬底上制备金属薄膜，金属薄膜为铂和钛(Pt和Ti)，金和钛(Au和Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)。
步骤3氧化物薄膜的制备方法可以为溶胶-凝胶旋涂法、化学气相淀积(包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)和原子层沉积(ALD))、溅射等。
步骤3之后，对于氧化物薄膜进行退火处理，具体条件为：温度范围为300-900度，气氛为空气气氛或者真空下(真空度为≤10-3Pa)或者氮/氧气氛(氮/氧气氛的比例范围为1/0到0/1)。
本发明有以下几个方面的优点：
本发明电阻式随机存取存储器的存储单元采用掺杂金属元素(M)的二氧化钛(TiO2)氧化物薄膜作为绝缘体，在电压连续扫描激励下表现出优异的高低电阻态之间的转变和记忆特性，其高低电阻态间的差值可大于103倍，其高阻态向低阻态转变的开启电压为2.0V左右，低阻态向高阻态转变的恢复电压为0.6V左右。这些特性表明本发明在非挥发性存储器件领域具有潜在的应用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细地说明：
图1本发明电阻式随机存取存储器的存储单元结构示意图；
图2本发明电阻式随机存取存储器的I-V特性测试结果；
图3本发明电阻式存取随机存储器的存储单元在0.2V读取电压下高、低电阻态的电阻值随转变周期的变化曲线。
具体实施方式
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
参考图1，利用热氧化的方法将400nm SiO2隔离介质层4生长在n型单晶硅(001)5上，作为衬底，利用溅射法制备100nm Pt和50nm的Ti(其中Ti作为粘附层)作为底电极3，再利用溶胶-凝胶旋涂法在底电极上制备40nm厚的Gd0.03Ti0.97O2薄膜2，将该薄膜在450℃下进行退火处理，退火在氮氧比为4/1的气氛下进行。利用X射线衍射法测定薄膜的结构，发现Gd0.03Ti0.97O2薄膜呈现出锐钛矿相多晶TiO2结构。利用溅射、光刻和刻蚀的方法在Gd0.03Ti0.97O2薄膜上制作100nm的W顶电极1或利用探针台的测试金属W探针直接用作顶电极。
参考图2、图3，利用Agilent 4156C半导体参数分析测试仪测试了上述制备的电阻式随机存取存储器器件的电流-电压特性。在电压连续扫描模式下测试了该薄膜的电流-电压特性。扫描偏压加在两个测试探针上，相当于测量两个串接的电容。电流-电压特性测试结果见图2。电压初次从0V开始扫描时，该薄膜表现出高阻特性，当电压高于2.0V(开启电压)时薄膜突然转变为低阻态，此时需设定一个电流限流值(本例中为10mA)，以免电流过大损坏薄膜。当电压重新从0V扫描至0.6V(恢复电压)时，薄膜由低阻态恢复到了高阻态。该高低电阻态的转变过程可以重复进行。图2中示出了10次高低电阻态的转变曲线。薄膜高低态电阻转变的开启电压为2.0±0.1V，恢复电压为0.6±0.1V。图3为在0.2V读取电压下测出的薄膜高和低电阻态时的电阻值以及随转变周期的变化曲线。在10个转换周期内，薄膜的高低电阻态均非常稳定，表明其具有很好的记忆特性。高低电阻态的阻值差异超过了103倍。
本发明掺杂金属元素的二氧化钛氧化物薄膜中，掺杂的元素M可以为稀土元素钆(Gd)、铈(Ce)以及过渡金属元素铬(Cr)、钴(Co)或铝(Al)。
本发明掺杂金属元素的二氧化钛氧化物薄膜的制备方法可以为溶胶-凝胶旋涂法、化学气相淀积(包括MOCVD和ALD)、溅射等。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (10)
1.一种电阻式随机存取存储器的存储单元，包括：衬底和金属-绝缘-金属结构电阻器，其特征在于：金属-绝缘-金属结构电阻器中两层金属分别为顶电极和底电极，绝缘体为掺杂金属元素的二氧化钛氧化物薄膜。
2.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器的存储单元，其特征在于：在二氧化钛氧化物薄膜中掺杂的金属元素选自稀土元素钆、铈以及过渡金属元素铬、钴或铝。
3.如权利要求1或2所述的电阻式随机存取存储器的存储单元，其特征在于：在掺杂金属元素的二氧化钛氧化物薄膜中，金属元素与钛的原子比x范围为0＜x≤0.2。
4.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器的存储单元，其特征在于：底电极金属为铂和钛，金和钛，钛，钨或钽。
5.如权利要求1所述的电阻式随机存取存储器的存储单元，其特征在于：顶电极金属为铂、钨或者铝。
6.一种电阻式随机存取存储器的存储单元的制备方法，其步骤包括：
1)选择二氧化硅和硅为衬底材料；
2)在衬底上制备金属薄膜作为底电极；
3)在底电极上制备掺杂金属元素的二氧化钛氧化物薄膜；
4)利用溅射法在氧化物薄膜上制备金属薄膜；
5)利用光刻、刻蚀的方法将上一步获得的金属薄膜制备出电极图形，作为顶电极。
7.如权利要求6所述的电阻式存取随机存储器的存储单元的制备方法，其特征在于：步骤1中，利用热氧化和化学气相沉积的方法将二氧化硅隔离介质层生长在单晶硅上，作为衬底。
8.如权利要求6或7所述的电阻式随机存取存储器的存储单元的制备方法，其特征在于：步骤2中，在衬底上利用溅射法制备金属薄膜，金属薄膜为铂和钛，金和钛，钛，钨或钽。
9.如权利要求6所述的电阻式随机存取存储器的存储单元的制备方法，其特征在于：步骤3中，氧化物薄膜的制备方法采用溶胶-凝胶旋涂法、化学气相淀积或溅射。
10.如权利要求6或9所述的电阻式随机存取存储器的存储单元的制备方法，其特征在于：步骤3之后，对于氧化物薄膜进行退火处理，具体条件为：温度范围为300-900度，气氛为空气气氛或者真空下，真空度为≤10-3Pa或者氮/氧气氛，氮/氧气氛的比例范围为1/0到0/1。
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