专利名称：包括可变电阻材料的非易失存储器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非易失存储器件，且更具体而言涉及一种可变电阻非易 失存储器件，其通过利用緩冲层和可变电阻材料层以简单结构形成存储节点 和二极管结构而具有稳定的开关特性，且没有例如二极管或晶体管的附加开
关器件也能工作。
背景技术：
通常，半导体存储器件包括使用电路彼此连接的多个单位存储单元。在
作为代表性半导体存储器件的动态随机存取存储器(DRAM)中，单位存储 单元通常包括开关和电容器。DRAM可以高度集成和快速工作。然而，当电 源被切断时，存储在DRAM中的数据被消除。
存储器。闪速存储器具有非易失性和低集成度，然而，比DRAM操作慢。
最近，在非易失存储器件领域，在磁性随机存取存储器(MRAM)、铁 电随机存取存储器(FRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)和电阻随机存 取存储器(RRAM)领域中正在进行积极的研究，它们基本包括存储数据的 存储节点和用于驱动存储节点的晶体管或二极管。
非易失存储器件中的RRAM主要利用过渡金属氧化物的特性，即电阻 根据电压变化(可变电阻特性)。
图1示出了 RRAM器件的结构，该RRAM器件包括含有普通的可变电 阻材料的存储节点和二极管。通常，将例如STMO和过渡金属氧化物(TMO ) 的材料、即对于相同的施加电压显示不同电阻的材料用作可变电阻材料。 TMO的一些实例是ZnO、 Ti02、 Nb205、 Zr02和NiO。
参考图1，包括n型氧化物层12和p型氧化物层13的二极管结构形成 在下电极ll上，且中心电极14、缓冲层15、可变电阻材料层16和上电极 17形成在该二极管结构上。緩沖层15是可选元件。
为了将图1所示的常规存储器件形成为交叉点阵列结构，需要许多沉积
工艺和蚀刻工艺，这使得制造工艺复杂，并且存储器件的整个尺寸增加，从 而降低器件的集成度。
发明内容
本发明提供了具有简单结构的容易高度集成的非易失存储器件，还提供 了显示出稳定的电特性的改进的电极结构。
根据本发明的一方面，提供了包括可变电阻材料的非易失存储器件，该
存储器件包括下电极；緩冲层，形成在所述下电极上，并且在所述緩沖层 与所述下电极之间的界面上形成了肖特基势垒；形成在所述緩冲层上的可变 电阻材料层，其具有可变电阻特性；以及上电极，形成在所述可变电阻材料 层上。
所述緩沖层和所述可变电阻材料层可以由p型氧化物材料形成。 所述可变电阻材料层可以由Ni氧化物材料形成。
所述緩冲层可以由具有阈值开关特性的Ni氧化物材料或Cu氧化物材料 形成。
形成在所述下电极与所述緩冲层之间的所述肖特基势垒的高度可以从 0.3eVi)j 1.0eV。
所述緩冲层可以由Cu氧化物材料形成，且所述下电极由TiNx、 Co和 W之一形成。
所述緩冲层可以由Ni氧化物材料形成，且所述下电极由Ti、 Ta、 TaN 和TiN之一形成。
所述上电极的功函数可以大于所述可变电阻材料层的功函数。
通过参考附图详细描述本发明的示范性实施例，本发明的上述和其他特 点和优点将变得更为明显，在附图中
图1是根据常规技术的包括二极管结构的非易失存储器件的视图2是根据本发明的实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件的视
图3是示出在根据本发明实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件
中的电流的流动的^L图4是在根据本发明实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件中， 在可变电阻材料层与上电极之间的界面上的欧姆接触结构的能级的曲线图5是在根据本发明实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件中， 在下电极与緩沖层之间的界面上的肖特基势垒的能级的曲线图；以及
图6是在根据本发明实施例的非易失存储器件中，在下电极由TiN形成 且緩沖层由CuO形成的情况下，示出电流与电压关系(I-V)的曲线图。
具体实施例方式
现在将通过参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示 范性实施例。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。
图2是根据本发明实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件的结构 的视图。
参考图2，根据本实施例的包括可变电阻材料的非易失存储器件包括下 电极21、依次形成在下电极21上的緩冲层22、可变电阻材料层23和上电 极24。
根据本发明，控制形成下电极21和緩沖层22的材料使得在下电极21 和緩沖层22之间的界面上形成肖特基势垒结构。此外，可以控制形成可变
形成欧姆接触结构。图3是示出根据本实施例的包括可变电阻材料的非易失 存储器件中电流流动的视图。
以下，将参考图4和5详细描述在根据本实施例的包括可变电阻材料的 非易失存储器件中形成各层的材料。
图4示出可变电阻材料层23与上电极24之间的欧姆接触结构的能带图。 参考图4，在根据本实施例的可变电阻存储器件中，可变电阻材料层23和上 电极24可以形成欧姆接触结构。为此，上电极24的功函数可以大于可变电 阻材料层23的功函数。根据本实施例，将例如Ni氧化物的p型可变电阻材 料用于形成可变电阻材料层23。例如，如果可变电阻材料层23由作为p型 氧化物的NiOx形成，则上电极24可以由其功函数比NiO的功函数更大的 例如Pt (功函数5.34)的贵金属形成。
图5是下电极21与緩冲层22之间的肖特基势垒结构的能带图。参考图
5，在根据本实施例的可变电阻存储器件中，可以在下电极21与緩冲层22 之间的界面上形成欧姆接触结构。为了在下电极21和緩冲层22之间的界面 上形成欧姆接触结构，肖特基势垒高度(Fb)的范围可以从0.3eV到l.OeV， 更具体地，/人0.5eV到l.OeV。此外，由于可变电阻材4+层23由p型氧化物 材料形成，所以緩沖层22可以由p型氧化物材料形成。这是因为如果緩沖 层22由n型氧化物材料形成，可以在緩冲层22和可变电阻材料层23之间 形成p-n结。
FB = Eg (緩沖层)+qx (缓冲层)-觀(下电极)-------------(1)
必须考虑在实际情况中由于表面缺陷引起的EF钉扎导致肖特基势垒减 小到初始设计的约1/3。由于肖特基势垒形成在下电极21和緩沖层22之间， 10 A/cn^或更大的电流可以从緩沖层22流到下电极21,然而，10^A/cn^或 更小的电流从下电极21流到緩沖层22。
此外，由于可变电阻材料层23由p型氧化物材料形成，所以緩沖层22 可以由p型氧化物材料形成。这是因为如果緩冲层22由n型氧化物材料形 成，可以在緩冲层22和可变电阻材料层23之间形成p-n结。
满足緩沖层22由p型氧化物材料形成且緩沖层22和下电极21之间的 肖特基势垒高度范围从0.3eV到l.OeV的条件的材料如下。
如果緩沖层22由作为p型氧化物材料的Cu氧化物形成，下电极21可 以由TiNx、 Co或W形成。当TiNx用于形成下电极21时，肖特基势垒高度 的范围从0.67到0.97eV,当Co用于形成下电极21时，肖特基势垒高度的 范围从0.5到1.16eV,当W用于形成下电极21时，肖特基势垒高度的范围 从0.37至)J 1.47eV。虽然肖特基势垒高度可以超过合适的范围，但肖特基势 垒高度的平均值满足根据本实施例的条件。
如果緩冲层22由作为p型氧化物材料的Ni氧化物形成，下电极21可 以由Ti、 Ta、 TaN或TiN形成。在此情形，当Ti用于形成下电极21时，肖 特基势垒高度的范围从0.55到1.45eV，当Ta用于形成下电极21时，肖特 基势垒高度的范围从0.65到1.28eV,当TaN用于形成下电极21时，肖特基 势垒高度为0.7eV或更大，当TiN用于形成下电极21时，肖特基势垒高度 小于0.8eV。这里，Ni氧化物材料不同于用于形成可变电阻材料层23的Ni 氧化物材料。在NiOx用于形成可变电阻材料层23的情况下，通过在约5% 到10%范围内调整氧张力(oxygen tension)而给予可变电阻特性。相反，
用于形成緩冲层22的Ni氧化物材料在10 %或更高的氧张力下形成以显示阈 值开关特性。
中，在下电极21由TiN形成且緩冲层22由CuO形成的情况下，电流(A ) 相对于施加的电压(V)的曲线图。
参考图6，具有0.97eV的肖特基势垒高度的样品的V-I曲线位于具有 0.5eV和l.OeV的肖特基势垒高度的样品的V-I曲线之间，且当施加负电压 时电流几乎不流动，当施加正电压时电流根据施加的电压变化。即，肖特基 势垒可以进行类似于二极管的整流操作。
如上所述，形成在下电极21和緩冲层22之间的肖特基势垒可以操作， 如同在作为存储节点的可变电阻材料层23下面形成了二极管。此结构可以 使用常规半导体工艺简单地形成，且与图1的常规可变电阻存储器件相比制 造工艺简单，且单位存储单元的尺寸可以减小。
根据本发明，形成了形成于下电极上的二极管结构，其通过在下电极的 界面上形成肖特基势垒而进行整流操作，且因此提供了具有筒单结构的可变 电阻存储器件。此外，存储器件可以容易地形成为交叉点型阵列，因此利于 高度集成。
虽然参考本发明的示范性实施例具体示出并描述了本发明，但本领域的 普通技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范 畴的前提下，可以进行各种形式和细节的变化。
权利要求
1、一种包括可变电阻材料的非易失存储器件，所述存储器件包括下电极；缓冲层，形成在所述下电极上，并且在所述缓冲层与所述下电极之间的界面上形成了肖特基势垒；形成在所述缓冲层上的可变电阻材料层，其具有可变电阻特性；以及上电极，形成在所述可变电阻材料层上。
2、 根据权利要求1所述的存储器件，其中所述緩沖层和所述可变电阻 材料层由p型氧化物材料形成。
3、 根据权利要求1所述的存储器件，其中所述可变电阻材料层由Ni氧 化物材料形成。
4、 根据权利要求1所述的存储器件，其中所述緩冲层由具有阈值开关 特性的Ni氧化物材料或Cu氧化物材料形成。
5、 根据权利要求1所述的存储器件，其中形成在所述下电极与所述緩 沖层之间的所述肖特基势垒的高度从0.3eV到l.OeV。
6、 根据权利要求5所述的存储器件，其中所述緩冲层由Cu氧化物材料 形成，且所述下电极由TiNx、 Co和W之一形成。
7、 根据权利要求5所述的存储器件，其中所述缓沖层由Ni氧化物材料 形成，且所述下电极由Ti、 Ta、 TaN和TiN之一形成。
8、 根据权利要求1所述的存储器件，其中所述欧姆接触结构形成在所 述可变电阻材料层和所述上电极之间。
9、 根据权利要求8所述的存储器件，其中所述上电极的功函数大于所 述可变电阻材料层的功函数。
全文摘要
本发明提供了一种包括可变电阻材料的非易失存储器件。所述非易失存储器件包括下电极；缓冲层，形成在所述下电极上，并且在缓冲层与下电极之间的界面上形成了肖特基势垒；形成在缓冲层上的具有可变电阻特性的可变电阻材料层；和形成在可变电阻材料层上的上电极。
文档编号H01L27/115GK101101964SQ20071009190
公开日2008年1月9日 申请日期2007年3月30日 优先权日2006年7月6日
发明者斯蒂法诺维奇·金瑞克, 李殷洪, 赵重来 申请人:三星电子株式会社