一种掺杂ZROSUB2/SUB阻变存储器及其制作方法.pdf

本发明涉及一种掺杂ZrO2阻变存储器及其制作方法，属于信息存储技术领域。所述存储器包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的电阻转变存储层，所述下电极由Al制成，所述电阻转变存储层由Cu掺杂ZrO2制成。本发明的掺杂ZrO2阻变存储器的结构简单，采用金属活性较强的Al作为下电极，可以吸收电阻转变存储层内ZrO2中的氧离子，在ZrO2中形成大量的氧空位，当器件第一次由高阻态向低阻态转变时，不再需要一个高的操作电压来激活器件，从而消除阻变存储器第一次由高阻态向低阻态转变时所需要的Forming过程。

1.  一种掺杂ZrO₂阻变存储器，包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的电阻转变存储层，其特征在于，所述下电极由Al制成，所述电阻转变存储层由Cu掺杂ZrO₂制成。

2.  根据权利要求1所述的掺杂ZrO₂阻变存储器，其特征在于，所述电阻转变存储层包括第一金属氧化物薄膜、金属薄膜和第二金属氧化物薄膜，所述金属薄膜设置于所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜之间，所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜均为由ZrO₂制成的薄膜，所述金属薄膜为由Cu制成的薄膜。

3.  根据权利要求2所述的掺杂ZrO₂阻变存储器，其特征在于，所述金属薄膜的厚度为1纳米～10纳米。

4.  根据权利要求1所述的掺杂ZrO₂阻变存储器，其特征在于，所述上电极由金属材料、金属合金材料和导电金属化合物中的一种或者几种制成。

5.  根据权利要求4所述的掺杂ZrO₂阻变存储器，其特征在于，所述金属材料为Cu、Au、Ag或者Pt。

6.  根据权利要求4所述的掺杂ZrO₂阻变存储器，其特征在于，所述金属合金材料为Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr或者Cu/Al。

7.  根据权利要求4所述的掺杂ZrO₂阻变存储器，其特征在于，所述导电金属化合物为TiN、TaN、ITO或者IZO。

8.  根据权利要求1至7任一所述的掺杂ZrO₂阻变存储器，其特征在于，所述电阻转变存储层的厚度为20纳米～200纳米。

9.  一种掺杂ZrO₂阻变存储器的制作方法，其特征在于，该制作方法包括以下步骤：
步骤一：在衬底上形成Al电极作为下电极；
步骤二：在所述下电极上形成以Cu掺杂ZrO₂制成的薄膜作为电阻转变存储层；
步骤三：在所述电阻转变存储层上形成上电极。

10.  根据权利要求9所述的掺杂ZrO₂阻变存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：在所述下电极上形成第一金属氧化物薄膜；在所述第一金属氧化物薄膜上形成金属薄膜；在所述金属薄膜上形成第二金属氧化物薄膜，其中，所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜均为由ZrO₂制成的薄膜，所述金属薄膜为由Cu制成的薄膜。

一种掺杂ZrO₂阻变存储器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种存储器及其制作方法，尤其涉及一种掺杂ZrO₂阻变存储器及其制作方法，属于信息存储技术领域。
背景技术
阻变存储器(RRAM)技术是以薄膜材料的电阻可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基本工作原理的。早在20世纪60年代就已经开始了电阻转变特性的研究，但由于材料技术和器件制造技术的限制未能引起关注。近年来随着材料制备技术和器件制造技术的飞速发展，阻变存储器与目前市场上主流的Flash存储器器件相比，具有密度高、功耗低、耐久力好、保持时间长、可缩小性好等优点，因此再次引起广大公司和研究人员的关注。
图1为现有技术阻变存储器的基本结构示意图。如图1所示，在上电极101和下电极103之间，设置有电阻转变存储层102。电阻转变存储层102的电阻值在外加电压作用下可以具有两种不同的状态，即高阻态和低阻态，其可以分别用来表征“0”和“1”两种状态。在不同外加电压的作用下，电阻转变型存储器的电阻值在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间可实现可逆转换，以此来实现信息存储的功能。
构成阻变存储器的材料体系多种多样，主要包括PrxCa1-xMnO₃(PCMO)、LaxCa1-xMnO₃(LCMO)、La1-xSrxMO₃(LSMO)等复杂氧化物，锆酸锶(SrZrO₃)、钛酸锶(SrTiO₃)等三元钙钛矿氧化物，高分子有机材料以及二元金属氧化物如Al₂O₃、TiO₂、ZnO、NiO、ZrO₂等。与其它复杂氧化物相比，二元金属氧化物由于具有结构简单，制作成本低，以及和现有CMOS工艺兼容的优点受到更多的关注。最近，人们通过向具有阻变特性的氧化物薄膜中引入掺杂来改善器件的性能，并且取得一定的效果，这种引入掺杂的方法不但可以增长器件的保持时间、提高器件的耐久力并且使得器件的成品率得到很大的提高。
在构成阻变存储器的二元金属氧化物材料中，ZrO₂作为high-k介质材料在近年来格外受关注。以ZrO₂作为存储介质的阻变存储器，其主要的电阻转变机制为导电细丝，其中导电细丝的组成主要包括材料本身存在的缺陷、扩散进入存储层中的电极金属离子以及氧空位，在这些成分中氧空位更加显著。在传统工艺条件中，通常情况下，对于ZrO₂作为存储介质的阻变存储器在第一次由高阻态向低阻态转变时，需要一个高于存储器正常操作电压的电压来激活器件，然后才可以进入到正常的存储状态，即所谓的Forming过程。由于Forming电压较大，会高于器件正常工作的电压，在Forming过程中产生的大电流就会对电阻转变存储层产生一定的破坏，导致器件的性能下降。此外，大的Forming电压意味着器件初始的功耗较高，从而不利于器件在实际中的应用。
发明内容
本发明针对现有以ZrO₂作为存储介质的阻变存储器由于在Forming过程中Forming电压高于器件正常工作的电压，而产生对电阻转变存储层具有一定的破坏的大电流，导致器件的性能下降，而且Forming电压较大，还会使器件初始的功耗较高的不足，提供一种掺杂ZrO₂阻变存储器及其制作方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种掺杂ZrO₂阻变存储器，包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的电阻转变存储层，所述下电极由Al制成，所述电阻转变存储层由Cu掺杂ZrO₂制成。
所述电阻转变存储层包括第一金属氧化物薄膜、金属薄膜和第二金属氧化物薄膜，所述金属薄膜设置于所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜之间，所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜均为由ZrO₂制成的薄膜，所述金属薄膜为由Cu制成的薄膜。
进一步，所述金属薄膜的厚度为1纳米～10纳米。
进一步，所述上电极由金属材料、金属合金材料和导电金属化合物中的一种或者几种制成。
进一步，所述金属材料为Cu、Au、Ag或者Pt。
进一步，所述金属合金材料为Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr或者Cu/Al。
进一步，所述导电金属化合物为TiN、TaN、ITO或者IZO。
进一步，所述电阻转变存储层的厚度为20纳米～200纳米。
本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种掺杂ZrO₂阻变存储器的制作方法包括以下步骤：
步骤一：在衬底上形成Al电极作为下电极；
步骤二：在所述下电极上形成以Cu掺杂ZrO₂制成的薄膜作为电阻转变存储层；
步骤三：在所述电阻转变存储层上形成上电极。
所述步骤二包括以下步骤：在所述下电极上形成第一金属氧化物薄膜；在所述第一金属氧化物薄膜上形成金属薄膜；在所述金属薄膜上形成第二金属氧化物薄膜，其中，所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜均为由ZrO₂制成的薄膜，所述金属薄膜为由Cu制成的薄膜。
本发明的有益效果是：本发明的掺杂ZrO₂阻变存储器的结构简单，采用金属活性较强的Al作为下电极，可以吸收电阻转变存储层内ZrO₂中的氧离子，在ZrO₂中形成大量的氧空位，当器件第一次由高阻态向低阻态转变时，不再需要一个高的操作电压来激活器件，从而消除阻变存储器第一次由高阻态向低阻态转变时所需要的Forming过程。本发明掺杂ZrO₂阻变存储器的制作方法简单、成本低并且与传统CMOS工艺兼容性好。
附图说明
图1为现有技术阻变存储器的基本结构示意图；
图2为本发明实施例1掺杂ZrO₂阻变存储器的基本结构示意图；
图3为本发明实施例2掺杂ZrO₂阻变存储器制作方法流程图；
图4为本发明实施例分别以Pt和Al作为下电极，Au作为上电极的阻变存储器的电流-电压特性曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
图2为本发明实施例掺杂ZrO₂阻变存储器的基本结构示意图。如图2所示，所述掺杂ZrO₂阻变存储器包括衬底201，设置于衬底201上的下电极202，设置于下电极202上的电阻转变存储层，以及设置于电阻转变存储层上的上电极206。所述电阻转变存储层由第一金属氧化物薄膜203、金属薄膜204和第二金属氧化物薄膜205组成。所述金属薄膜204设置于所述第一金属氧化物薄膜203和第二金属氧化物薄膜205之间，所述第一金属氧化物薄膜203和第二金属氧化物薄膜205均为由ZrO₂制成的薄膜，所述金属薄膜204为由Cu制成的薄膜。
所述衬底201一般由二氧化硅、掺杂二氧化硅或者其他绝缘材料制成。
所述下电极202由Al制成。所述上电极206可为Cu、Au、Ag或者Pt等金属形成的单层金属电极，也可以为Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr或者Cu/Al等金属合金形成的双层金属电极，同时也可以由TiN、TaN、ITO或者IZO等导电金属化合物制成。所述上电极206还可以是金属、金属合金和导电金属化合物中任意两种或三种形成的合金。所述下电极202和上电极206的厚度各为10纳米～300纳米。可以理解，所述下电极202和上电极206的厚度可以相同，也可以不同，只要在10纳米～300纳米之间即可。
所述电阻转变存储层的厚度为20纳米～200纳米。所述金属薄膜204的厚度为1纳米～10纳米。所述第一金属氧化物薄膜203和第二金属氧化物薄膜205的厚度范围分别为10纳米～100纳米，所述第一金属氧化物薄膜203和第二金属氧化物薄膜205的厚度可以相同，也可以不相同。
本发明的掺杂ZrO₂阻变存储器的结构简单，采用金属活性较强的Al作为下电极，可以吸收电阻转变存储层内ZrO₂中的氧离子，在ZrO₂中形成大量的氧空位，当器件第一次由高阻态向低阻态转变时，不再需要一个高的操作电压来激活器件，从而消除阻变存储器第一次由高阻态向低阻态转变时所需要的Forming过程。
实施例2
图3为本发明实施例掺杂ZrO₂阻变存储器制作方法流程图。如图3所示，所述制作方法包括以下步骤：
步骤301：在衬底上形成Al电极作为下电极。
所述下电极可以采用电子束蒸发、溅射等物理汽相沉积或者化学汽相沉积的方法形成。
步骤302：在所述下电极上形成以Cu掺杂ZrO₂制成的薄膜作为电阻转变存储层。
在具体生产实践中，首先，在所述下电极上形成第一金属氧化物薄膜；接着，在所述第一金属氧化物薄膜上形成金属薄膜；最后，在所述金属薄膜上形成第二金属氧化物薄膜，其中，所述第一金属氧化物薄膜和第二金属氧化物薄膜均为由ZrO₂制成的薄膜，所述金属薄膜为由Cu制成的薄膜。
所述第一金属氧化物薄膜、第二金属氧化物薄膜和金属薄膜均可以采用电子束蒸发、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)或者原子层淀积(ALD)等方法形成。
步骤303：在所述电阻转变存储层上形成上电极。
所述上电极可以采用电子束蒸发、溅射等物理汽相沉积或者化学汽相沉积的方法形成。
通过电子束蒸发工艺，分别以Pt和Al作为下电极构造阻变存储器器件。首先在绝缘衬底SiO₂上分别沉积金属活性不同的Pt和Al作为下电极，再在下电极上沉积一层20nm的氧化锆层，然后沉积一层3nm的金属Cu薄膜层，之后再沉积一层20nm的氧化锆层，最后沉积Au上电极完成整个器件的基本结构。图4为本发明实施例分别以Pt和Al作为下电极，Au作为上电极的阻变存储器的电流-电压特性曲线示意图。如图4所示，在分别采用金属活性稳定的Pt以及金属活性较强的Al作为阻变型存储器的下电极的情况下，与金属活性稳定的Pt下电极器件相比，采用金属活性较强的Al作为下电极，可以吸收ZrO₂中的氧离子，在ZrO₂中形成大量的氧空位，不再需要一个高的操作电压来激活器件，较低的操作电压就可实现电阻的转变，从而消除阻变存储器第一次由高阻态向低阻态转变时所需要的Forming过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。