專利名稱：包括n+界面層的可變電阻隨機存取存儲器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及非易失性存儲器，更特別地，涉及通過在由普通金屬形成的 下電極與緩沖層之間包括n+界面層而以低操作電壓操作的可變電阻隨機存 取存儲器。
背景技術：
具有高集成密度、高速操作特性、和低操作電壓的半導體存儲器是更優(yōu) 越的。
常規(guī)存儲器包括連接到存儲單元的多個電路。在作為半導體存儲器的代 表的動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)的情況下，單位存儲單元通常包括一個 開關和一個電容器。DRAM具有高集成密度和高操作速度。然而，所存儲的 數(shù)據(jù)在關閉電源后被擦除。
非易失性存儲器在電源被關閉后能保持所存儲的數(shù)據(jù)，這樣的非易失性 存儲器的例子是閃存(flashmemory)。閃存是非易失性存儲器，其與易失性存 儲器的區(qū)別在于非易失性存儲器比DRAM具有較低的集成密度和較慢的操 作速度。
正在對非易失性存儲器進行很多研究，包括磁隨機存取存儲器 (MRAM )、鐵電隨機存取存儲器(FRAM )、相變隨機存取存儲器(PRAM )、 及電阻隨機存取存儲器(RRAM)。
上述非易失性存儲器中，RRAM主要利用取決于過渡氧化物的電壓的可 變電阻特性。
圖1A是橫截面圖，示出使用可變電阻材料的具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的RRAM的 結(jié)構(gòu)。使用過渡金屬氧化物作為可變電阻材料的RRAM器件具有開關特性 以用作存儲器。
參照圖1A， RRAM具有其中下電極12、氧化物層14、和上電極16順 序形成在襯底10上的結(jié)構(gòu)。下電極12和上電極16由普通導電金屬形成， 氧化物層14由具有可變電阻特性的過渡金屬氧化物形成。該過渡金屬氣化
物包括ZnO、 Ti02、 Nb205、 Zr02、 NiO等。
圖1B是曲線圖，示出圖1A所示的非易失性可變電阻存儲器的操作特 性。更具體地，電流通過對樣品施加電壓來測量，樣品中下電極12由Ru形 成，氧化物層14由NiO形成，上電極16由Ru形成。參照圖1B，當在第 一開關周期施加約0.7V到樣品時，重置電流為約3mA。然而，在50個開關 周期之后，重置電流增加到約50mA。隨著開關周期被重復，氧化物層14 的電阻狀態(tài)繼續(xù)改變，操作電壓和重置電壓增大，因而降低了非易失性可變 電阻存儲器的可靠性。因此，需要能具有穩(wěn)定操作特性的存儲器的結(jié)構(gòu)。
由于在閃存器件中高集成是結(jié)構(gòu)上困難的，所以對交叉點(cross-point) 型存儲器進行了很多研究。因此，需要開發(fā)利用可變電阻材料的具有新結(jié)構(gòu) 的交叉點型存儲器。
另外，還需要具有使用普通金屬代替昂貴的貴金屬的下電極的存儲器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種非易失性存儲器，通過在下電極和可變電阻氧化物層之 間包括緩沖層且在該緩沖層和該下電極之間包括n+界面層，即使重復進行 開關操作時該非易失性存儲器也具有穩(wěn)定的重置電流。
本發(fā)明還提供通過使用普通金屬作為下電極而具有低制造成本的高集 成存儲器。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種可變電阻隨機存取存儲器，包括下 電極；n+界面層，其形成在所述下電極上；形成在所述n+界面層上的緩沖 層；氧化物層，其形成在所述緩沖層上并具有可變電阻特性；以及上電極， 其形成在所述氧化物層上。
所述氧化物層可由p型過渡金屬氧化物形成。
所述氧化物層可以是Ni氧化物層。
所述n+界面層可以由選自包括ZnOx、 TiOx和IZOx的欠氧(oxygen deficicent)氧化物、及包括ZnO、 TiO和IZO的高度摻雜以n型雜質(zhì)的氧化 物構(gòu)成的組的至少一種形成。
該下電極可以由選自包括Ni、 Co、 Cr、 W、 Cu、 Ti、或這些金屬的合 金的組的一種形成。
所述緩沖層可以由n型氧化物形成。
所述緩沖層可以由選自包括Ir氧化物、Ru氧化物、Zn氧化物、和IZO 的組的至少一種形成。
所述n+界面層和所述緩沖層可以由相同材料形成。


通過參照附圖詳細描述其示例性實施例，本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu) 點將變得更加明顯，附圖中
圖1A是橫截面圖，示出了使用可變電阻材料具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的電阻隨機 存取存儲器(RRAM)的結(jié)構(gòu)；
圖1B是曲線圖，示出了圖1A所示的非易失性可變電阻存儲器的操作 特性；
圖2是曲線圖，示出了其中緩沖層形成在下電極上的RRAM的重置電
流根據(jù)開關周期數(shù)目的變化；
圖3是曲線圖，示出使用鎢作為下電極的RRAM器件的電流特性；
圖4是橫截面圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例具有n+界面層的可變電阻
隨機存取存儲器；
圖5是能帶圖，示出n-IZO (緩沖層)和W (下電極)之間的肖特基接
觸；
圖6是當n+界面層形成在n-緩沖層和由普通金屬形成的下電極之間時 的能帶圖7是散點圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲器件的重置電流變化與 開關周期數(shù)目的關系；
圖8是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例使用可變電阻的存儲器的操作原理。
具體實施例方式
下面將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的具有n+界面層的可變電阻隨機存取 存儲器。附圖中，為清晰起見，層和區(qū)域的厚度和寬度被放大。
圖2是曲線圖，示出其中緩沖層形成在下電極上的電阻隨機存取存儲器 (RRAM)的重置電流變化與開關周期數(shù)目的關系。
參照圖2，RRAM器件包括由Ru形成的下電極、由ZnO形成的緩沖層、
和由NiO形成的可變電阻氧化物層。該RRAM器件具有4.5mA的平均重置 電流，其是較低重置電流，且具有比常規(guī)RRAM (參照圖IB)低的重置電 流偏差
圖3是曲線圖，示出包括普通金屬鎢形成的下電極的RRAM器件的電 流特性。由IZO形成的緩沖層、由NiO形成的可變電阻氧化物層、和由Ni 形成的上電極順序形成在下電極上。
參照圖3，較高電壓(6V)施加到使用W形成的下電極的RRAM器件 后，當重置電流增加時發(fā)生存儲節(jié)點擊穿。因此，當下電極簡單地由普通金 屬形成時該RRAM器件不能作為存儲器工作。
圖4是橫截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例具有n+界面層的可變電 阻隨機存取存儲器。
參照圖4，根據(jù)本發(fā)明一實施例的具有n+界面層的可變電阻隨機存取存 儲器包括下電極20。 n+界面層22、 n型緩沖層24、可變電阻氧化物層26、 和上電極28順序形成在下電極20上。
下電才及20可以由普通金屬諸如Ni、 Co、 Cr、 W、 Cu、 Ti或這些金屬的 合金形成。當在下電極20中使用普通金屬時，可降低存儲器的制造成本。 在本實施例中，普通金屬用在下電極20中，但本發(fā)明不限于此，即，下電 極20也可以由貴金屬形成。
n+界面層22可由欠氧n型氧化物半導體諸如IZOx、 ZnOx、或TiOx形 成。另外，n+界面層22可由高度摻雜以摻雜劑的IZO、 ZnO、或TiO形成。
n型緩沖層24是n型氧化物，且可以由欠氧氧化物諸如IZOx、 IrOx、 RuOx、 ZnOx、或TiOx，或者摻雜以摻雜劑的氧化物諸如IZO、 IrO、 RuO、 ZnO、或TiO形成。
n+界面層22和n型緩沖層24可由相同材料形成從而降低制造成本，且 n+界面層22被摻雜以比摻雜到n型緩沖層24的摻雜劑高幾個數(shù)量級的摻雜 劑。
可變電阻氧化物層26可以由上述諸如ZnO、 Ti02、 Nb205、 Zr02、或 NiO的過渡金屬氧化物形成。
上電極28可由Pt或Ti形成。
當下電極20由普通金屬諸如鵠(W)形成時，下電極22的功函數(shù)較低。 在該情況下，肖特基接觸形成在下電極20與緩沖層24例如n- IZO層之間的
界面處。當肖特基接觸形成在下電極20和緩沖層24之間時，由于結(jié)電阻而 會產(chǎn)生電壓降和存儲節(jié)點退化。結(jié)果，存儲器的操作特性削弱，或者如圖3 所示，會發(fā)生存儲節(jié)點的擊穿。圖5是能帶圖，示出n-IZO (緩沖層)和W (下電極)之間的肖特基接觸。
圖6是當n+界面層22形成在n-緩沖層24和由普通金屬形成的下電極 20之間時的能帶圖?？尚纬捎蒼- IZO層/n十IZO層/W層的復合物構(gòu)成的結(jié) 層。
參照圖6，下電極20的功函數(shù)比n+IZO層(n+界面層22)大。因此， n+ IZO層與W層之間形成歐姆接觸。結(jié)果，由于下電極20和n型緩沖層 24之間的勢壘(barrier)形成地薄，所以電阻能夠在下電極20和n型緩沖層 24之間自由轉(zhuǎn)移。
圖7是散點圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲器件的重置電流變化與 開關周期數(shù)目的關系。更具體地，根據(jù)本發(fā)明一實施例的存儲器包括順序形 成在由具有20nm厚度的W形成的下電極20上的具有20nm厚度的n+ IZO 界面層、由具有20nm厚度的n- IZO形成的緩沖層、具有50nm厚度的p- NiO 層、和由具有20nm厚度的Ni形成的上層28。參照圖7，存儲器具有非常低 的重置電流變化，并具有1.2mA的重置電流水平。如圖6所示，低重置電流 解釋為根據(jù)本發(fā)明在下電極20和n型緩沖層24之間n+界面層22的形成減 小了下電極20和n型緩沖層24之間勢壘的厚度，因此，電子穿過非常薄的 勢壘在下電極20和n型緩沖層24之間容易地轉(zhuǎn)移。
上述根據(jù)本發(fā)明的包括可變電阻材料的非易失性存儲器可通過諸如濺 射、原子層沉積(ALD)法的PVD法或化學氣相沉積(CVD)法制造。下 電極20、 n+界面層22、 n型緩沖層24、可變電阻氧化物層26、和上電極28 的厚度不被限制，可以形成為從數(shù)納米到數(shù)微米。在圖2中，示出了單位器 件的結(jié)構(gòu)，但根據(jù)本發(fā)明的包括可變電阻材料的非易失性存儲器可用在交叉 點型陣列中。
使用可變電阻的存儲器具有兩種電阻狀態(tài)，現(xiàn)在將參照圖8說明該存儲 器的操作原理。
圖8是曲線圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例使用可變電阻的存儲器的操作 原理。參照圖8，當向存儲器施加的電壓從OV逐漸增加時，電流沿曲線G1 與所施加的電壓成比例地增加。然而，當施加比V,高的電壓時，電流由于
存儲器電阻的快速增大而降低。當V,與V2之間范圍內(nèi)的電壓被施加時，電 流沿曲線G2增加。當高于V2的電壓例如電壓V3被施加到存儲器時，由于
存儲器電阻的快速降低而電流回到沿曲線G1增加。當施加小于V,的電壓時， 向存儲器施加的高于V,的電壓影響存儲器的電特性，現(xiàn)在將對其進行說明。 V,到V2范圍內(nèi)的電壓施加到存儲器之后，小于V,的電壓再次施加到存 儲器，則存儲器的電流遵循曲線G2。另一方面，當高于V2的電壓例如V3 施加到存儲器之后，小于V,的電壓施加到存儲器，則電流如圖8所示遵循 Gl。從該結(jié)果可以看出，存儲器的電特性根據(jù)施加到存儲器的電壓的大小(在 V,到V2或大于V2的范圍)而受到影響。結(jié)果看出，具有可變電阻材料即過 渡金屬氧化物的存儲器可以應用到非易失性存儲器。例如，通過指定當如圖 8所示V,到V2范圍內(nèi)的電壓施加到存儲器時存儲器的狀態(tài)為"0"，并指定 當大于V2的電壓被施加時存儲器的狀態(tài)為"1",數(shù)據(jù)被記錄到存儲器中。 再現(xiàn)數(shù)據(jù)時，通過向存儲器施加小于V,的電壓測量氧化物層中的電流，這 樣，能夠確定存儲在存儲器中的數(shù)據(jù)處于"0"狀態(tài)或"1"狀態(tài)。狀態(tài)"1" 和狀態(tài)"0"的指定可以反過來。
儲器可用作交叉點型存儲器而對于高集成是有利的。另外，通過在下電極和 n緩沖層之間包括n+界面層，該存儲器具有穩(wěn)定的操作特性。此外，下電極 可以由便宜的普通金屬形成，因而降低了制造成本。
盡管本發(fā)明參照其實施例進行了特定示出和描述，本領域技術人員能夠 理解，在不脫離本發(fā)明的權利要求所定義的精神和范圍的情況下可以進行形 式和細節(jié)上的各種改變。
權利要求
1.一種可變電阻隨機存取存儲器，包括下電極；n+界面層，形成在所述下電極上；形成在所述n+界面層上的緩沖層；氧化物層，其形成在所述緩沖層上并具有可變電阻特性；及上電極，形成在所述氧化物層上。
2. 如權利要求1的可變電阻隨機存取存儲器，其中所述氧化物層由p 型過渡金屬氧化物形成。
3. 如權利要求1的可變電阻隨機存取存儲器，其中所述氧化物層是Ni 氧化物層。
4. 如權利要求1的可變電阻隨機存取存儲器，其中所述n+界面層由選 自包括ZnOx、 TiOx和IZOx的欠氧氧化物，及包括ZnO、 TiO和IZO的高 度摻雜以n型雜質(zhì)的氧化物構(gòu)成的組的至少一種形成。
5. 如權利要求1的可變電阻隨機存取存儲器，其中所述下電極由選自 Ni、 Co、 Cr、 W、 Cu、 Ti、或這些金屬的合金構(gòu)成的組的一種形成。
6. 如權利要求1的可變電阻隨機存取存儲器，其中所述緩沖層由n型 氧化物形成。
7. 如權利要求6的可變電阻隨機存取存儲器，其中所述緩沖層由選自 Ir氧化物、Ru氧化物、Zn氧化物、和IZO構(gòu)成的組的至少一種形成。
8. 如權利要求1的可變電阻隨機存取存儲器，其中所述n+界面層和所 述緩沖層由相同材料形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有n+界面層的可變電阻隨機存取存儲器。該可變電阻隨機存取存儲器包括下電極、形成在所述下電極上的n+界面層、形成在所述n+界面層上的緩沖層、形成在所述緩沖層上并具有可變電阻特性的氧化物層、及形成在所述氧化物層上的上電極。
文檔編號H01L27/24GK101097988SQ200610160399
公開日2008年1月2日 申請日期2006年11月15日 優(yōu)先權日2006年6月27日
發(fā)明者埃爾·M·鮑里姆, 斯蒂法諾維奇·金瑞克, 李殷洪, 趙重來 申請人:三星電子株式會社