[发明专利]一种高开关比阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及阻变存储器(RRAM)，具体涉及一种高开关比阻变存储器及其 制备方法，属于CMOS超大规模集成电路(ULSI)中的非挥发存储器(Nonvolatile memory)的改性及其制造技术领域。

背景技术

近年来，随着经济的发展，市场对大容量、高密度、低功耗、低成本、便 携式的存储器的需求量大大提高。然而，在半导体工艺节点不断向前进步过程 中，现今的代表非易失性存储器Flash遇到了不可避免的缺点，比如：操作电压 大、工作速度慢等等。已经无法满足市场对非易失性存储器的超高存储密度的 要求了。因此，在存储器材料和技术领域取得重大突破，开发新一代的非易失 性存储器技术尤为迫切。

新型的非易失性存储器包括铁电存储器(FRAM)、磁存储器(MRAM)、 相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)。其中，阻变存储器由于具有器 件结构简单(M-I-M)、制备工艺简单、操作电压低、擦写速度快、多值存储、 与现今的CMOS工艺兼容等优点而作为下一代新型非易失性存储器的最有力竞 争者之一。当对阻变存储器施加适当的外加电压后，器件电阻会在高阻态与低 阻态之间相互转换，从而实现信息的‘0’与‘1’的存储。而器件的开关比 (R_HRS/R_LRS)决定了器件的存储能力，体现了不同信息的存储状态间的区分程 度。

目前，很多存储器对于不同信息的存储状态的区分不明显，导致“串扰” 问题的存在，严重影响了读取数据的准确性，不利于阻变存储器在实际的应用。 因此，如何解决不同信息的存储状态的区分度不够高是目前急需解决的问题。

研究发现，合理控制三层同质结金属氧化物的生长氧分压可以得到高的开 关比的阻变现象，从而有效地解决不同信息存储状态间的区分度不够高的问题。

中山大学的光电材料和技术国家重点实验室的W.J.Ma等人研究了 Pt/TiO₂/BaTiO₃/TiO₂/Pt阻变存储器，发现这种结构中，TiO₂充当氧空位的储蓄者， 而BaTiO₃充当氧空位供给者，这种三层结构对于氧空位的浓度和分布有着重大 的影响。而在阻变存储器之中，氧空位一直扮演着核心的角色，调控好氧空位 浓度和分布可以得到比较大的开关比，从而可以提高存储器对于不同信息的存 储状态的区别程度。然而，他们的工作主要是集中在异质结的基础上，工艺复 杂，并且得到的I-V曲线开关比约为几十倍。

发明内容

基于以上问题，本发明提供了一种高开关比阻变存储器及其制备方法，通 过将同种金属氧化物阻变材料薄膜按照不同的氧分压生长成三层同质结结构， 以实现合理的调控氧空位的移动，从而得到高的开关比，使得不同信息的存储 状态间的区分程度变高，提高了存储器的存储能力。

本发明的技术方案如下：

一种高开关比阻变存储器，自上而下依次包括顶电极、阻变材料层、底电 极、粘接层、衬底，其特征是：所述阻变材料层为三层同质结的金属氧化物构 成，且该三层同质结金属氧化物结构的中间层氧空位浓度大于两边层。

所述衬底采用表面热氧了一层SiO₂的Si片。

所述底电极和顶电极材料为导电金属或金属氮化物。

所述阻变材料层的材料为二元金属氧化物中的TiO_x、HfO_x、ZrO_x、NiO_x、 ZnO_x、或者TaO_x。

所述顶电极为直径200μm的圆形点电极。

所述阻变材料层中的中间层的同质结金属氧化物大于两边层的氧空位浓度 至少一个量级，每个量级的倍率为10倍。

该高开关比的阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在硅片上热氧生长绝缘层SiO₂制得衬底；

步骤2、在步骤1制得的衬底上依次溅射或者蒸发金属Ti和M，其中Ti是 粘结层，M为底电极；

步骤3、在底电极M上自下而上依次制备氧空位浓度中间层大于两边的三 层同质结金属氧化物，即阻变材料层，然后对其进行原位退火处理；制备方法 是通过脉冲激光沉积法，在同一个腔体内通过调控氧分压依次沉积三层阻变材 料；