[发明专利]一种具有掺杂控制层的电阻存储器

说明书

技术领域

本发明属微电子技术领域，具体涉及一种具有掺杂控制层的电阻存储器。

背景技术

存储器在半导体市场中占有重要的地位。由于便携式电子设备的不断普及，不挥发存储器在整个存储器市场中的份额也越来越大，其中90％以上的份额被FLASH占据。但是由于串扰(CROSS TALK)、以及隧穿层不能随技术代发展无限制减薄、与嵌入式系统集成等FLASH发展的瓶颈问题，迫使人们寻找性能更为优越的新型不挥发存储器。最近电阻随机存储器(Resistive Random Access Memory，简称为RRAM)因为其高密度、低成本、有很强的随技术代发展能力等特点引起高度关注，其主要使用的材料有相变材料、多元氧化物(如：SrZrO₃、PbZrTiO₃、Pr_1-xCa_xMnO₃)、二元金属氧化物材料^[1]。

图1是常规的电阻随机存储器结构，其中201是金属下电极，202是电阻存储薄膜，203是金属上电极。虽然目前所报道的电阻存储器所用的电阻存储薄膜和金属电极的材料各不相同，但基本都是采用金属电极-电阻存储薄膜-金属电极的三明治结构。

图2(a)是该常规的电阻存储单元的I-V特性曲线。曲线101表示起始态为高阻的IV曲线，电压扫描方向如箭头所示，上下电极间所加电压从0开始向正向逐渐增大到V_TS时，电流会突然迅速增大，表明存储电阻从高阻突变成低阻状态。曲线100表示起始态为低阻的状态。当电压由0向负向逐渐增大到V_TR时，电流达到最大值，此后电流会突然迅速减小，表明存储电阻从低阻突变成高阻状态。在电信号作用下，器件可在高阻和低阻间可逆转换，从而达到信号存储的作用。通常称从高阻转换为低阻的操作为置位(set)操作，从低阻转换为高阻的为复位(reset)操作。

图2(b)是对数坐标系下，该常规的电阻存储单元做反复置位、复位操作的一组I-V曲线。可以看到V_TS和V_TR并不是一个稳定值，它有一个较大的波动范围。图2(c)是该常规的电阻存储单元做反复置位、复位操作是时对应的低祖和高阻分布情况。图中也可以看出复位后最大的高阻是最小高阻的数百倍，同样置位后的低阻分布也很分散，最大最小值间也相差数十倍。上述的这些电学参数的不稳定性会给应用带来很多的麻烦，如：操作电压难以确定，操作功耗难以预测。

根据目前的研究结果，向电阻存储介质表面参杂可以稳定电阻随机存储器的电学参数，提高该器件性能^[1][2]。例如，参考文献[1]认为NiO中掺少量Ti可以轻微的破坏Ni-O键，增强氧离子在薄膜中的移动，这样使NiO电阻存储器的写操作速度有明显的提高，该器件的写操作电压，高、低阻态阻值也明显稳定。当前一种的掺杂方法是让掺杂金属直接和存储介质接触，实现扩散掺杂^[1][3]，因此掺杂方法掺杂量较难控制，对于只需要低掺的金属氧化物电阻存储薄膜并不适用，例如，Cu_xO电阻存储层表面掺少量Ta可以起到提降低器件功耗，稳定器件性能的作用，但Ta和Cu_xO薄膜直接接触参杂会使Cu_xO中Ta含量过高而导致器件开关性能丧失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高电学性能的电阻存储器。

本发明提供的电阻存储器是一种具有掺杂控制层的电阻存储器。它通过所述掺杂控制层实现对所述电阻存储器中的电阻存储介质层的可控掺杂，从而提高电阻存储器的电学性能。

本发明所提供的电阻存储器包括：

下电极层；

电阻存储介质层；

直接与存储介质层相接触的掺杂控制层；

以及，上电极层。

所述掺杂控制层可以是位于所述电阻存储介质层和所述上电极层之间，也可以是位于所述电阻存储介质层和所述下电极层之间。

其中，所述掺杂控制层用来实现对所述电阻存储介质层的金属元素掺杂，以及掺杂含量控制，它可以为金属氮化物、金属氧化物或金属氮氧化物薄膜；该择杂控制层可以是同种材料构成的单层薄膜，或者由不同种材料够成的复合层薄膜。