[发明专利]具有钝化的切换层的非易失性电阻式存储器元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种非易失性电阻式存储器元件(nonvolatile resistive memory element)，更具体地涉及具有钝化的切换层(passivated switching layer)的非易失性电阻式存储器元件以及其形成方法。

背景技术

非易失性存储器元件用在需要持久性数据存储的设备(例如数码相机和数字音乐播放器)中，以及用在计算机系统中。电可擦除可编程只读存储器(EPROM，electrically-erasable programmable read only memory)和NAND闪存是当前正在使用的非易失性存储器技术。然而，随着器件尺寸缩小，缩放(scaling)问题对传统非易失性存储器技术提出挑战。这导致了对包括电阻式切换的非易失性存储器的、替代性非易失性存储器技术的研究。

使用双稳态(即，具有不同电阻的两个稳定状态)的存储器元件来形成电阻式切换的非易失性存储器。可以通过施加适当的电压或电流而将双稳态存储器元件置于高电阻状态或低电阻状态。电压脉冲通常用于使双稳态存储器元件从一个电阻状态切换到另一电阻状态。随后，可以在存储器元件上执行无损读取操作以确定被存储在其中的数据位的值。

随着电阻式切换的存储器设备尺寸缩小，重要的是减少可靠地置位(set)、复位(reset)和/或确定设备的期望的“接通(on)”和“关断(off)”状态所必需的必要电流和电压，从而把设备的功耗、设备的电阻性发热和相邻设备之间的串扰减至最低。此外，非常希望通过这样的设备将数据可靠地保持更长时间段。

因为形成有相对较少的氧空位的双稳态存储器元件可以导致更低的操作电压和电流，所以通常期望使形成在双稳态存储器元件中的氧空位的数量最小化。然而，具有少量的氧空位的双稳态存储器元件本质上更可能遭受数据保持问题，这是因为在这样的存储器元件中即使少量的氧空位损失或迁移也可以改变存储器元件的电阻状态，从而导致数据丢失。因此，在电阻式双稳态存储器元件的设计中，在受益于具有更少的氧空位的、具有更低的操作电压和电流的构造与受益于具有更多氧空位的、具有更高的耐用性和可靠性的构造之间存在取舍。

鉴于上述情况，在本领域中需要的是具有降低的电流和电压要求以及可靠的数据保持特性的非易失性电阻式切换的存储器设备。

发明内容

本发明的实施例提出了一种具有新型可变电阻层的非易失性电阻式存储器元件及其形成方法。在切换层的沉积期间或之后，利用非金属掺杂剂原子对新型可变电阻层进行钝化，使得切换层需要较小的切换电流并且具有改进的数据保持特性。适合于用作非金属掺杂剂原子的元素包括氮(N)、氟(F)和氯(Cl)。

根据本发明的一种实施例，形成非易失性存储器元件的方法包括如下步骤：形成可变电阻层，该可变电阻层包括在第一电极层上方的金属氧化物，其中可变电阻层包括高达3原子百分比的非金属掺杂剂原子；以及形成第二电极层，使得可变电阻层设置在第一电极层与第二电极层之间。

根据本发明的另一实施例，非易失性存储器元件包括在衬底上形成的第一电极层、第二电极层、以及可变电阻层，所述可变电阻层包括设置在第一电极层与第二电极层之间的金属氧化物，其中可变电阻层的至少一部分包括高达3原子百分比的掺杂剂原子。

附图说明

所以，通过参考附图可以得到上面简要阐述的能够详细理解本发明的实施例的上述特征的方式、本发明的实施例的更具体描述。然而，应该注意，附图仅例示了本发明的典型实施例，因此不应该被认为是对本发明范围的限制，这是因为本发明可以允许其他等效实施例。

图1是根据本发明的实施例配置的存储器设备的存储器阵列的透视图。

图2A是根据本发明的实施例配置的存储器设备的示意性横截面视图。

图2B示意性地例示了根据本发明的实施例的配置成使得电流正向流过存储器设备的存储器设备。

图3给出了根据本发明的实施例的存储器元件的一个实施例的双极切换曲线的电流与电压的双对数坐标图(log-log plot)。

图4是根据本发明的实施例的由包括新型可变电阻层的一系列沉积层形成的存储器设备的示意性横截面视图。

图5给出了根据本发明的一个实施例的在用于形成存储器设备的处理序列中的方法步骤的流程图。

为了清楚起见，在适用的地方，使用相同的附图标记指代附图中共有的相同元件。预期到的是，在没有进一步声明的情况下，一个实施例的特征可以结合到其他实施例中。