一种用于阻变存储器交叉阵列的选通器件及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于阻变存储器交叉阵列的选通器件及其制备方法。该器件自下而上包括底层惰性电极、氧化物基固态电介质、顶层活性电极。本发明通过选取基于金属导电细丝机制的阻变器件，通过调整氧化物基固态电介质的密度、结构及活性金属在电介质中的扩散能力，使得器件在正向电压下形成导电细丝通道，器件变为低阻态，而释放电压后，导电细丝自发熔解，器件恢复到高阻态，在随后的负电压扫描过程中，器件保持高阻态。该器件呈现出类似二极管的整流行为，可用于阻变存储器交叉阵列的选通器件。本发明所述的选通器件，其制备工艺与阻变器件兼容性好，结构简单，整流比大，功耗低，能够有效抑制阻变存储器交叉阵列结构中的串扰现象。
【专利说明】
一种用于阻变存储器交叉阵列的选通器件及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种用于阻变存储器交叉阵列的选通器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002]阻变存储器(RRAM)具有结构简单、读写速度快、操作功耗低、存储密度大、与现有CMOS工艺技术兼容、进一步按比例缩小的潜力大、可实现多值存储等特点，因此，它是下一代通用存储器的有力竞争者。
[0003]为了进一步提高存储密度，交叉阵列结构(Crossbar)被认为是一种简单有效的集成方式，并且，通过将交叉阵列进行三维堆叠，可成倍的提高器件的存储密度，理论上最大存储密度为4F2/N，(F为特征线宽，N为堆叠层数)。然而，在读取交叉阵列结构中存储的数据时，存在严重的数据串扰问题。如图1所示，在简单的2X2交叉阵列结构中，如果阻变存储单元A处于高阻态而其他三个阻变存储单元均处于低阻态，此时，在读取高阻态单元A的状态时电流将沿着相邻的三个处于低阻态的存储器单元形成一条漏电通道，如图1中的虚线所示，使得读出来的电阻值为低阻态，而不是单元A的高阻态，即所谓的串扰问题。当阵列密度很大时，串扰问题则更为严重。为解决这个问题，通常需要将阻变存储器与一个选通器件(晶体管、二极管等)串联，形成一个晶体管一个阻变器件(1T1R)、一个二极管一个阻变器件(IDlR)结构。其中，IDlR具有更高的存储密度而格外受到关注。但是，传统的二极管工艺温度较高，与阻变器件的制备工艺不兼容，并且，传统二极管的整流比不高，电流密度较低。
【发明内容】
[0004]本发明的一个目的是为了解决上述技术问题，提供了一种用于阻变存储器交叉阵列的选通器件。该选通器件具有与氧化物基阻变存储器类似的结构与制备工艺，因而与阻变器件的制备工艺兼容性极佳，并且可获得高达17的整流比。
[0005]为达到上述目的，基于金属导电细丝机制的工作原理，本发明用于阻变存储器交叉阵列的选通器件自下而上依次包括底层惰性电极、设于底层惰性电极上的氧化物基固态电介质、设于固态电介质上的顶层活性电极。
[0006]所述的底层惰性电极包括但不仅限于Pt、W、Au、TiN中的一种，厚度为5nm?500nm。
[0007]所述的氧化物基固态电介质为氧化铪、氧化钛、氧化锆、氧化钨、氧化钽中的一种或者多种，厚度为5nm?200nmo
[0008]所述的顶层活性电极包括但不仅限于Ag、Cu、Ni中的一种，厚度为5nm?500nmo
[0009]作为优选，所述的底层惰性电极为Pt下电极，氧化物基固态电介质为ZrO2固态电介质，顶层活性电极为Ag电极。
[0010]上述方案中，选通器件的工作原理如下:对顶层活性电极施加正向电压，并且控制限流，电极氧化形成金属离子注入到固态电介质中(形成导电细丝通道，器件变为低阻态(通过调整氧化物基固态电介质的密度、结构及活性金属在电介质中的扩散能力，使得器件在正向电压下形成导电细丝通道)；而释放电压后，导电细丝不稳定而发生自发熔解，器件恢复到高阻态，在随后的负电压扫描过程中，器件保持高阻态。器件呈现出类似二极管的整流行为，可用于阻变存储器交叉阵列的选通器件。
[0011]上述方案中，正向电压的范围为I?5V，限流的范围为10nA?10mA。
[0012]本发明的另一个目的是提供了一种用于阻变存储器交叉阵列的选通器件的制备方法，该方法包括:
[0013]步骤S1:在衬底上表面形成底层惰性电极，底层惰性电极可采用电子束蒸发、化学气相沉积(包括PECVD、LPCVD、MOCVD等)、脉冲激光沉积、原子层沉积(ALD)或磁控溅射方法进行沉积，沉积温度为室温，厚度为5nm?500nm ；
[0014]步骤S2:通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或溅射方法，在所述底层惰性电极上表面形成氧化物基固态电介质，厚度为5nm?200nm;
[0015]步骤S3:在所述氧化物基固态电介质上表面形成活性上电极，电极可采用电子束蒸发、化学气相沉积(包括PECVD、LPCVD、M0CVD等)、脉冲激光沉积、原子层沉积(ALD)或磁控派射方法进行沉积，沉积温度为室温，厚度为5nm?500nmo
[0016]所述的衬底为硅衬底或玻璃衬底或其他柔性衬底。
[0017]本发明的有益效果是:
[0018]本发明提出的一种用于阻变存储器交叉阵列的选通器件，主要采用金属氧化物材料，其结构简单，制造成本低，制备工艺与阻变器件的工艺兼容性好，并且器件可在较大的限流下稳定工作，可有效解决传统二极管与阻变器件工艺兼容性差的难题，抑制交叉阵列中的串扰问题。
【附图说明】
[0019]图1为阻变存储器交叉阵列中串扰问题示意图；
[0020]图2为依照本发明实施例的用于阻变存储器交叉阵列的选通器件的结构示意图；
[0021]图3为依照本发明实施例制作用于阻变存储器交叉阵列的选通器件的方法流程图；
[0022]图4为依照本发明实施例的Ag/Zr02/Pt选通器件在ΙΟΟμΑ限流下的电流-电压特性曲线；
[0023]图5为依照本发明实施例的Ag/Zr02/Pt选通器件在ΙΟμΑ?1mA限流范围内的电流-电压特性曲线。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】进行更为清楚、完整的描述。为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。所述实施例只用于说明本发明，在此不应限制本发明保护的范围。
[0025]图2是依照本发明实施例的用于阻变存储器交叉阵列的选通器件的结构示意图，该选通器件包括:衬底100，衬底100优选地为硅衬底，也可以是玻璃或一些柔性衬底。形成于衬底100上的底层惰性电极101;底层惰性电极101可以为Pt、W、Au、TiN的一种，厚度为5nm?500nm。设于底层惰性电极上的氧化物基固态电介质102; 102可以为氧化铪、氧化钛、氧化锆、氧化钨、氧化钽或他们的组合，厚度为5nm?200nm。氧化物基固态电介质是通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或溅射方法中的一种制备。设于固态电介质上的顶层活性电极103。103可以为48、(]11、祖的一种，厚度为5111]1?500111]10
[0026]作为较佳实施例，本实施例提供的用于阻变存储器交叉阵列的选通器件包括Pt下电极，ZrO2固态电介质，以及Ag顶层活性电极。以下结合图3，详细说明该选通器件的制备工艺流程。
[0027]步骤SI，形成惰性底电极101。如图3所示，底电极Pt采用电子束蒸发的方法形成，其厚度为5nm?500nmo
[0028]步骤S2，在底电极101层上形成ZrO2固态电介质层102。本实施例中采用电子束蒸发的方法在室温条件下形成ZrO2固态电介质层，其厚度为50nm。
[0029 ]步骤S3，在Zr02固态电介质层之上形成上电极层103，Ag电极采用磁控派射的方法形成，其厚度为5nm?500nmo
[0030]图4为本发明实施例的Ag/Zr02/Pt选通器件在ΙΟΟμΑ限流下的电流-电压特性曲线。测试过程中活性电极Ag电极一端加正向扫描电压，惰性电极Pt接地，在电压扫描的过程中，限制电流大小设置为ΙΟΟμΑ，当扫描电压增加至约0.25V时，器件电流突然增大，器件中形成导电细丝，转变为低阻态，但是，该低阻态不能稳定保持，当电压逐渐下降时，器件电流下降，器件自发恢复到高阻态，表现出易失性特征。在随后的负向电压扫描过程中，器件始终保持高阻态。因此，基于导电细丝的Ag/Zr02/Pt选通器件的电流-电压特性曲线与二极管的整流曲线非常类似，该器件在±0.1V电压下的整流比为104。因此，可作为选通器件用于阻变存储器交叉阵列。
[0031]图5为依照本发明实施例的Ag/Zr02/Pt选通器件在ΙΟμΑ?1mA限流范围内的电流-电压特性曲线。可见器件在高达1mA限流时，仍然表现为易失性特征，整流比随着限流的增大可增大至107。
[0032]以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1.一种用于阻变存储器交叉阵列的选通器件，其特征在于自下而上依次包括底层惰性电极、设于底层惰性电极上的氧化物基固态电介质、设于固态电介质上的顶层活性电极。2.如权利要求1所述的选通器件的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤S1:在衬底上表面形成底层惰性电极； 步骤S2:在所述底层惰性电极上表面形成氧化物基固态电介质； 步骤S3:在所述氧化物基固态电介质上表面形成活性上电极。3.如权利要求1所述的选通器件或权利要求2所述的方法，其特征在于所述的底层惰性电极包括但不仅限于Pt、W、Au、TiN中的一种，厚度为5nm?500nmo4.如权利要求1所述的选通器件或权利要求2所述的方法，其特征在于所述的氧化物基固态电介质为氧化铪、氧化钛、氧化锆、氧化钨、氧化钽中的一种或者多种，厚度为5nm?200nmo5.如权利要求1所述的选通器件或权利要求2所述的方法，其特征在于所述的顶层活性电极包括但不仅限于Ag、Cu、Ni中的一种，厚度为5nm?500nmo6.如权利要求1所述的选通器件，其特征在于对顶层活性电极施加正向电压，并且控制限流，电极氧化形成金属离子注入到固态电介质中，形成导电细丝通道，器件变为低阻态，而释放电压后，导电细丝不稳定而发生自发熔解，器件恢复到高阻态，在随后的负电压扫描过程中，器件保持高阻态，器件呈现出类似二极管的整流行为。7.如权利要求6所述的选通器件，其特征在于正向电压的范围为I?5V，限流的范围为10nA?1mAο8.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的衬底为硅衬底或玻璃衬底或其他柔性衬底。9.如权利要求2所述的方法，其特征在于步骤S2采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或溅射方法，形成氧化物基固态电介质。
【文档编号】H01L27/24GK105932035SQ201610275550
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】杜刚, 李红霞, 季振国
【申请人】杭州电子科技大学