專利名稱：阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子及存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
阻變型隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(resistive random access memory,簡(jiǎn)稱RRAM)作為一種新興的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，在單元面積、器件密度、功耗、編程/擦除速度、3D集成和多值實(shí)現(xiàn)等諸多方面相對(duì)FLASH都具有極大的優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外大公司和科研院所的高度關(guān)注。 阻變存儲(chǔ)技術(shù)的不斷進(jìn)步使之成為未來(lái)非易失性存儲(chǔ)技術(shù)市場(chǎng)主流產(chǎn)品的最有力競(jìng)爭(zhēng)者
之一 O阻變型存儲(chǔ)器具有電極/絕緣層/電極的簡(jiǎn)單單元結(jié)構(gòu)，因此，IR型交叉陣列型陣列結(jié)構(gòu)將是最理想的存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)三維超高密度的集成。在交叉陣列結(jié)構(gòu)中， 上下相互垂直的平行交叉點(diǎn)處含有存儲(chǔ)單元，每一個(gè)存儲(chǔ)單元都可以實(shí)現(xiàn)器件的選通并進(jìn)行讀寫(xiě)。但是，由于存儲(chǔ)器單元對(duì)稱的電學(xué)特性，使得交叉陣列結(jié)構(gòu)中存在嚴(yán)重的讀串?dāng)_問(wèn)題。圖I為本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)阻變型存儲(chǔ)器在讀串?dāng)_問(wèn)題的示意圖。如圖I所示，每個(gè)存儲(chǔ)單元有上電極、阻變功能層和下電極構(gòu)成。該陣列工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)低成本和高密度的三維集成。然而，該結(jié)構(gòu)存在明顯的讀擾動(dòng)現(xiàn)象。如圖I所示相鄰的四個(gè)器件，坐標(biāo)為(1，
I)的器件處于高阻狀態(tài)，其余三個(gè)相鄰器件(1，2)、(2,2)和(2，I)都處于低阻狀態(tài)，這時(shí)在(1，1)器件上加讀電壓時(shí)，希望的電流通路如圖I中實(shí)線所示，但實(shí)際上的電流通路卻如圖I中虛線所示，使得讀出來(lái)的電阻值不是(1，1)器件的電阻了，這就是讀串?dāng)_現(xiàn)象。串?dāng)_問(wèn)題的解決一般通過(guò)引入選通單元得以解決，如ITlR結(jié)構(gòu)和IDlR結(jié)構(gòu)。采用 ITlR結(jié)構(gòu)的集成方案中的器件單元面積最終是由晶體管決定的，如果不考慮晶體管的驅(qū)動(dòng)電流的影響的話，最小的單元面積為6F2(F為特征線寬)，ITlR結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高密度的陣列集成。因此，IDlR結(jié)構(gòu)被認(rèn)為更有應(yīng)用的潛力。圖2為本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)IDlR結(jié)構(gòu)阻變型存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，在阻變型存儲(chǔ)單元中，通過(guò)將整流二極管串聯(lián)到電阻轉(zhuǎn)變存儲(chǔ)器上可以有效解決誤讀的問(wèn)題。 但整流二極管主要是通過(guò)PN結(jié)實(shí)現(xiàn)，考慮到阻變區(qū)電極一般采用金屬材料，構(gòu)成PN結(jié)的η 型和P型摻雜以及隨后的高溫激活過(guò)程使得這種采用PN結(jié)整流二極管的IDlR單元實(shí)現(xiàn)如圖2左所示的三維集成工藝非常復(fù)雜和難以控制。另外，常規(guī)的PN結(jié)的厚度超出了 100 納米，也阻礙了其三維集成。最后，盡管多晶硅PN結(jié)二極管能夠提供阻變需要的大的set/ reset電流，但是其泄露電流很大。以上種種制約了常規(guī)多晶硅PN結(jié)整流型阻變器件的集成。因此，如何實(shí)現(xiàn)阻變存儲(chǔ)單元的三維高密度集成是存儲(chǔ)技術(shù)研究的一個(gè)重要課題。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人意識(shí)到現(xiàn)有技術(shù)存在如下技術(shù)問(wèn)題采用PN結(jié)作為選通單元的IDlR結(jié)構(gòu)的阻變型存儲(chǔ)單元中，由于需要額外的摻雜和高溫激活過(guò)程，從而不利于阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行三維高密度集成。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題為解決上述缺陷，本發(fā)明提供了一種阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器，以避免采用 PN結(jié)實(shí)現(xiàn)電流選通功能，實(shí)現(xiàn)阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的三維高密度集成。(二)技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元。該存儲(chǔ)單元由上電極、阻變功能層、中間電極、非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層和下電極構(gòu)成，其中上電極、阻變功能層和中間電極構(gòu)成阻變存儲(chǔ)部分，中間電極、非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層和下電極構(gòu)成選通功能部分，阻變存儲(chǔ)部分和選通功能部分共用中間電極，選通功能部分可以位于阻變存儲(chǔ)部分的上方或下方；所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層由至少兩種勢(shì)壘高度存在差異的材料構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)穿過(guò)所述阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的正、反向隧穿電流的整流調(diào)制。優(yōu)選地，本發(fā)明阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元中，構(gòu)成所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層的各材料的種類和厚度由預(yù)設(shè)的整流調(diào)制特性確定，并且各材料的勢(shì)壘高度自下至上單調(diào)遞增或單調(diào)遞減。優(yōu)選地，本發(fā)明阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元中，在所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層高勢(shì)壘材料的一側(cè)，電極由低功函數(shù)導(dǎo)電材料構(gòu)成；在所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層低勢(shì)壘材料的一側(cè)，電極由高功函數(shù)導(dǎo)電材料構(gòu)成。優(yōu)選地，本發(fā)明阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元中，所述勢(shì)壘高度存在差異的材料為SiO2, SiON, Si3N4, HfO2, Al2O3, ZrO2, HfAlO, HfSiO, AlSiO, Ta2O5 或 HfO20 構(gòu)成所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層的各子層的厚度為O. 5nm 50nm ;所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層為Si02/Si3N4，SiO2Al2O3, Si02/Hf02, Si0N/Hf02, Si0N/Al203, Al203/Hf02, Al203/Si02 或 Hf02/Si0N 層，或所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層為 Si02/Al203/Hf02, Si0N/Al203/Hf02 或 Si02/Si0N/Hf02 層。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器包括電阻讀寫(xiě)單元、地址選擇單元和若干個(gè)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其中 所述地址選擇單元，與所述若干阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元相連，用于選擇進(jìn)行操作的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元；所述電阻讀寫(xiě)單元，與所述地址選擇單元和所述若干阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元相連，用于對(duì)所選擇的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元進(jìn)行置位、復(fù)位或編程操作。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I)通過(guò)采用非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層，原IDlR中PN結(jié)二極管的高度可以急劇減小，比如從100納米的多晶硅PN結(jié)二極管厚度減小到小于10納米的厚度，因此新的單元結(jié)構(gòu)將與理想的IR結(jié)構(gòu)在集成密度上趨向于一致，也都可實(shí)現(xiàn)三維高密度集成；2)非對(duì)稱勢(shì)壘結(jié)構(gòu)用于阻變區(qū)的選通，其實(shí)現(xiàn)工藝非常簡(jiǎn)單，避免了常規(guī)多晶硅 PN結(jié)整流二極管所需的注入、退火等的工藝需求，因此可以使得工藝復(fù)雜度和制造成本大大降低；3)基于非對(duì)稱隧穿勢(shì)魚(yú)(tunneling barrier,簡(jiǎn)稱TB)的ITBlR結(jié)構(gòu),其基本概念在于通過(guò)在非對(duì)稱勢(shì)壘兩端施加不同極性的電壓，其隧穿電流可以通過(guò)非對(duì)稱的勢(shì)壘高度和隧穿厚度的調(diào)整而獲得很大的正反向電流差異(如IO5)，因此可以通過(guò)這種結(jié)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)整流特性；4)非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層可以采用具有不同勢(shì)壘高度的高K材料予以實(shí)現(xiàn)，比如 SiO2Al2O3, Si02/Hf02, Si0N/Hf02等，其可選的材料很多，且已經(jīng)被廣泛用于CMOS工藝，因此該新結(jié)構(gòu)與CMOS工藝完全兼容；5)采用該非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層作為選通單元，可以有效解決IR型交叉陣列的讀串?dāng)_的問(wèn)題，因此該結(jié)構(gòu)可以很好的用于交叉存儲(chǔ)陣列方式設(shè)計(jì)。


圖I為本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)阻變型存儲(chǔ)器在讀串?dāng)_問(wèn)題的示意圖；圖2為本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)IDlR結(jié)構(gòu)阻變型存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元實(shí)施例一的示意圖；圖4為本發(fā)明阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元實(shí)施例二的示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的示意圖；圖6為本發(fā)明另一實(shí)施例阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的示意圖；圖7本發(fā)明實(shí)施例阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元不同厚度下的SiO2Al2O3堆棧結(jié)構(gòu)的電流測(cè)試曲線。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，提供了一種阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元。該存儲(chǔ)單元由上電極、阻變功能層、中間電極、非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層和下電極構(gòu)成，其中上電極、阻變功能層和中間電極構(gòu)成阻變存儲(chǔ)部分，中間電極、非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層和下電極構(gòu)成選通功能部分，阻變存儲(chǔ)部分和選通功能部分共用中間電極。選通功能部分可以位于阻變存儲(chǔ)部分的上方或下方，如果選通功能部分位于阻變存儲(chǔ)部分的上方，則該存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)如圖3所示；如果選通功能部分位于阻變存儲(chǔ)部分的下方，則該存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)如圖4所示。而非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層由至少兩種勢(shì)壘高度存在差異的材料構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)穿過(guò)阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的正、反向隧穿電流的整流調(diào)制。優(yōu)選地，構(gòu)成非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層的材料的種類和厚度由預(yù)設(shè)的整流調(diào)制特性確定。本實(shí)施例引入非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層用于整流，從而實(shí)現(xiàn)電阻單元的選通操作。同時(shí)， 由于非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層不用摻雜，不用高溫退火，并且厚度較薄，因此有利于實(shí)現(xiàn)阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行三維高密度集成。相比較而言，本發(fā)明引入中間電極增加了工藝步驟，但也提高了該阻變單元的可靠性。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，在非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層高勢(shì)壘材料的一側(cè)，電極由低功函數(shù)導(dǎo)電材料構(gòu)成；在非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層低勢(shì)壘材料的一側(cè)，電極由高功函數(shù)導(dǎo)電材料構(gòu)成。通過(guò)調(diào)整中間電極和下電極導(dǎo)電材料的功函數(shù)來(lái)進(jìn)行控制，可以獲得更小的反向泄露電流，從而其整流比也能進(jìn)一步擴(kuò)大。在本發(fā)明中，非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層由至少兩種勢(shì)壘高度存在差異的材料構(gòu)成。該勢(shì)壘高度存在差異的材料為 SiO2, SiON, Si3N4, HfO2, Al2O3, ZrO2, HfAlO, HfSiO, AlSiO, Ta2O5 或HfO2,構(gòu)成非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層的各子層的厚度為O. 5nm 50nm。但優(yōu)選地，非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層的總厚度為 10-50nm。非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層為 Si02/Si3N4, SiO2Al2O3, Si02/Hf02, Si0N/Hf02, Si0N/Al203，Al203/Hf02, Al203/Si02 或 Hf02/Si0N 層，或非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層為 Si02/Al203/ HfO2, Si0N/Al203/Hf02或Si02/Si0N/Hf02。構(gòu)成非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層的材料制備可以采用以下的方法中一種電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積、磁控濺射或氧化。圖5為本發(fā)明實(shí)施例阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的示意圖。其中，圖5中左圖為隨機(jī)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)圖，圖5右為選通功能部分的能帶圖。為直觀起見(jiàn)，將兩幅圖放在一起進(jìn)行說(shuō)明。如圖5左圖所示，阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元包括阻變存儲(chǔ)部分(IR)和選通功能部分 (TB)。選通功能部分，位于阻變存儲(chǔ)部分的下方，由中間電極、非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層和下電極構(gòu)成。而非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層由低勢(shì)壘材料和高勢(shì)壘材料兩層構(gòu)成。通過(guò)在非對(duì)稱勢(shì)壘兩端施加不同極性的電壓，其隧穿電流可以通過(guò)非對(duì)稱的勢(shì)壘高度和隧穿厚度的調(diào)整而獲得很大的正反向電流差異(如IO5)，因此可以通過(guò)這種結(jié)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)整流特性。作為一個(gè)例子，這里的雙層勢(shì)壘由SiON和高K材料(比如HfO2)構(gòu)成。當(dāng)圖5的上電極接正電壓，下電極接負(fù)電壓或者O的時(shí)候，中間電極的電壓將高于下電極，所以非對(duì)稱勢(shì)壘的能帶如圖5中右上圖所示，這樣電子在從下電極向上電極隧穿的時(shí)候其隧穿厚度為dl，其隧穿勢(shì)壘高度由靠近下電極的材料SiON決定。同理，在上電極接負(fù)電壓下電極接 O電壓或者正電壓時(shí)候，其電子從上電極向下電極的隧穿距離為d2，勢(shì)壘高度由靠近中間電極的高K材料Hf02決定?？梢钥闯觯琩l < d2，這樣通過(guò)選擇材料和厚度可以控制隧穿電流，從而可以有效實(shí)現(xiàn)隧穿電流的整流特性。采用圖5左圖的新結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)IR的交叉陣列運(yùn)作方式。通過(guò)采用非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層，原IDlR中PN結(jié)二極管的高度可以急劇減小，比如從100納米的多晶硅PN結(jié)二極管厚度減小到小于10納米的厚度，因此新的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元將與理想的IR結(jié)構(gòu)在集成密度上趨向于一致，也可實(shí)現(xiàn)三維高密度集成。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)工藝非常簡(jiǎn)單，避免了常規(guī)多晶硅PN結(jié)整流二極管所需的注入、退火等的工藝需求，因此可以使得工藝復(fù)雜度和制造成本大大降低。圖6為本發(fā)明另一實(shí)施例阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的示意圖。與圖5中所示的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元不同，該存儲(chǔ)單元基于三層非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘的新結(jié)構(gòu)的一個(gè)變形，即選通功能部分由高勢(shì)壘材料、中勢(shì)壘材料、低勢(shì)壘材料構(gòu)成。其基本概念與雙層類似，三種勢(shì)壘材料的勢(shì)壘高度單調(diào)遞增或者遞減，就可以獲得其對(duì)電流的調(diào)制效果。當(dāng)然應(yīng)該指出的是，三種材料如果不是單調(diào)遞增或者遞減，但是通過(guò)選擇合適的介電常數(shù)和不同的厚度，仍然可以獲得相似的功能。因此非單調(diào)增或者減的勢(shì)壘如果具有電流整流的效果仍然在本思想的涵蓋范圍內(nèi)，此處不做贅述。圖5和圖6的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元中，只以靠近中間電極介質(zhì)的勢(shì)壘高度小于靠近下電極介質(zhì)的勢(shì)壘高度為例對(duì)我們的發(fā)明思路進(jìn)行了實(shí)例化。應(yīng)該指出的是，基于通過(guò)非對(duì)稱勢(shì)壘來(lái)進(jìn)行電流調(diào)整的其他任何變形，包括靠近中間電極介質(zhì)的勢(shì)壘高度大于靠近下電極介質(zhì)的勢(shì)壘高度，以及更多層隧穿勢(shì)壘等等都將受本發(fā)明的涵蓋。如上，通過(guò)調(diào)整構(gòu)成非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層的材料的種類和厚度，可以獲得預(yù)設(shè)的整流調(diào)制特性。為了驗(yàn)證上述理論的可行性，圖7本發(fā)明實(shí)施例阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元不同厚度下的SiO2Al2O3堆棧結(jié)構(gòu)的電流測(cè)試曲線。此處固定了 Al2O3厚度為50A，而對(duì)SiO2的厚度進(jìn)行了分裂，其等效氧化層厚度(EOT)也被標(biāo)示在圖中。比如對(duì)于SiO2 (IOA)/Al2O3(50A)， 如果Al2O3的介電常數(shù)為9. 3，那么其等效氧化層厚度約為EOT = 30A。從正反向電流曲線測(cè)試可以看出，不同的介質(zhì)厚度的調(diào)整將產(chǎn)生不同的隧穿電流曲線。同時(shí)，在相同電壓值但不同極性情況下(V，-V)，其電流差可以達(dá)到5個(gè)數(shù)量級(jí)的差值，因此完全能夠滿足選通管的整流特性。如圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)選擇不同的材料厚度，通過(guò)隧穿勢(shì)壘的正向電流比反向電流大5個(gè)數(shù)量級(jí)。因此可以滿足選擇管的整流需求。對(duì)于在圖I的交叉陣列中采用該新阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，則在選擇通道上(從(1，
1)— (2，I))，則電流只需要經(jīng)過(guò)在(1，1)處的I個(gè)隧穿勢(shì)壘，而泄露通道(從(1，1) — (I,
2)— (2,2) — (2,1))路徑上則需要經(jīng)過(guò)四個(gè)隧穿勢(shì)壘，泄露電流會(huì)被有效抑制，從而達(dá)到防止交叉陣列串?dāng)_的問(wèn)題。作為一個(gè)具體實(shí)例，上文給出了采用雙層隧穿勢(shì)壘(圖5)和三層隧穿勢(shì)壘(圖 6)做整流的新的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的新結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也可以采用更多層的隧穿勢(shì)壘結(jié)構(gòu)， 只要通過(guò)非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層實(shí)現(xiàn)對(duì)穿過(guò)阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的正、反向隧穿電流的整流調(diào)制，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。上述方案中，阻變存儲(chǔ)部分其可以具有單極或雙極性電阻轉(zhuǎn)變特性。其上電極、 中間電極以及下電極的導(dǎo)電電極材料由至少一種或者多種以下材料構(gòu)成金屬材料W、Al、
01、六11、六8、卩11 11、11、13、？13、(0、]\10、11'、附，導(dǎo)電金屬化合物 TiN、TaN、WN、Ir02、IT0、NiSi、 CoSi、IZO、YBCO, LaAlO3, SrRuO3, Si、多晶硅或者其它的導(dǎo)電電極材料；上述方案中，導(dǎo)電電極材料采用以下方法中的一種進(jìn)行淀積電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或磁控派射；電極材料的厚度為Inm 500nm。上述方案中，阻變存儲(chǔ)部分的電阻轉(zhuǎn)變功能層至少由一種或者多種以下材料或者對(duì)它們進(jìn)行摻雜后形成，如 Ni0、Ti0x、Cu0x、Zr0x、Ta0x、A10x、Co0、Hf0x、Mo0x、Zn0、PCM0、LCM0、 SrTiO3> BaTi03、SrZr03> CuS, AgS, AgGeSe, CuIxSy, HfO2, SiO2, W0X、Y2O3, Si、以及有機(jī)材料；上述方案中，阻變存儲(chǔ)部分的阻變功能層也可以通過(guò)改變功能層材料的相位予以實(shí)現(xiàn)(即常規(guī)的相變存儲(chǔ)器)。因此，該功能材料亦可以包括各種可以發(fā)生相變的材料，比如 Ge2Sb2Te5(GST)，GeTe，GeTeC 等材料。上述方案中，阻變功能層的制備采用以下的方法中一種電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積、旋涂或磁控濺射；存儲(chǔ)介質(zhì)層的厚度為Inm 500nm。上述方案中，其非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層可以由單層、雙層、以及多層介質(zhì)層構(gòu)成。其特點(diǎn)在于下電極一側(cè)的勢(shì)魚(yú)高度和中間電極一側(cè)的勢(shì)魚(yú)高度有一定的差異，這樣在施加不同極性電壓的時(shí)候其電流有比較大的差異。上述方案中，靠近中間電極的介質(zhì)勢(shì)壘高度可以小于靠近下電極的介質(zhì)勢(shì)壘高度 (如圖3和圖4所示)，也可以相反。其雙層介質(zhì)可以至少由兩種以下材料形成。如由SiO2, SiON, Si3N4, HfO2, Al2O3, ZrO2, HfAlO, HfSiO, AlSiO, Ta2O5 等材料中的兩種構(gòu)成如 SiO2Al2O3, Si02/Hf02, Si0N/Hf02, Si0N/Al203，Al203/Hf02 等雙層勢(shì)壘，也可以構(gòu)成 Si02/Hf02/Al203, SiON/HfO2Al2O3等三層或者多層勢(shì)壘等。上述構(gòu)成非對(duì)稱勢(shì)壘的材料制備可以采用以下的方法中一種電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或磁控濺射、氧化等；各層材料的厚度為O. 5nm 50nmo根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器包括電阻讀寫(xiě)單元、地址選擇單元和若干個(gè)上文中阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其特征在于，該存儲(chǔ)單元由上電極、阻變功能層、中間電極、非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層和下電極構(gòu)成，其中上電極、阻變功能層和中間電極構(gòu)成阻變存儲(chǔ)部分，中間電極、非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層和下電極構(gòu)成選通功能部分，阻變存儲(chǔ)部分和選通功能部分共用中間電極，選通功能部分位于阻變存儲(chǔ)部分的上方或下方；所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層由至少兩種勢(shì)壘高度存在差異的材料構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)穿過(guò)所述阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的正、反向隧穿電流的整流調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其特征在于，構(gòu)成所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層的各材料的種類和厚度由預(yù)設(shè)的整流調(diào)制特性確定，并且各材料的勢(shì)壘高度自下至上單調(diào)遞增或單調(diào)遞減。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其特征在于，在所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層高勢(shì)壘材料的一側(cè)，電極由低功函數(shù)導(dǎo)電材料構(gòu)成；在所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層低勢(shì)壘材料的一側(cè)，電極由高功函數(shù)導(dǎo)電材料構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其特征在于，所述勢(shì)壘高度存在差異的材料為 SiO2, SiON, Si3N4, HfO2, Al2O3, ZrO2, HfAlO, HfSiO, AlSiO, Ta2O5 或 HfO20
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其特征在于，構(gòu)成所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)魚(yú)層的各子層的厚度為O. 5nm 50nm ；所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層為 Si02/Si3N4, SiO2Al2O3j Si02/Hf02, Si0N/Hf02, Si0N/Al203, Al203/Hf02, Al203/Si02 或 Hf02/Si0N 層，或所述非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層為 Si02/Al203/Hf02，Si0N/Al203/Hf02 或 Si02/Si0N/Hf02 層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其特征在于，所述構(gòu)成非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層的材料制備可以采用以下的方法中一種電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、 原子層沉積、磁控濺射或氧化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其特征在于，所述阻變功能層的厚度為Inm 500nm ;所述阻變功能層為單層阻變材料、多層阻變材料或相變存儲(chǔ)材料；所述阻變功能層的制備方法為以下方法中的一種或者多種電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積、旋涂或磁控濺射。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其特征在于，所述單層阻變材料、多層阻變材料包括至少一種或兩種以下材料或者以下材料經(jīng)摻雜改性后形成的材料NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, MoOx, ZnO, PCMO, LCMO, SrTiO3> BaTiO3> SrZrO3、非晶硅或有機(jī)材料；所述相變存儲(chǔ)材料包括至少一種以下材料=Ge2Sb2Te5, GeTe, GeTeC0
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其特征在于，所述上電極、中間電極和下電極的厚度為Inm 500nm ；所述上電極、中間電極和下電極的導(dǎo)電電極材料為以下材料中的一種或者多種W、Al、 Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir、Ni、TiN、TaN、WN、Ir02、ITO、NiSi、CoSi、IZ0、YBC0、 LaAlO3' SrRuO3> Si 或多晶硅；所述上電極、中間電極和下電極采用以下方法中的一種進(jìn)行沉積電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、原子層沉積或磁控濺射。
10. 一種阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)器，其特征在于，該存儲(chǔ)器包括電阻讀寫(xiě)單元、地址選擇單元和若干個(gè)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元，其中所述地址選擇單元，與所述若干阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元相連，用于選擇進(jìn)行操作的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元；所述電阻讀寫(xiě)單元，與所述地址選擇單元和所述若干阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元相連，用于對(duì)所選擇的阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元進(jìn)行置位、復(fù)位或編程操作。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)單元由上電極、阻變功能層、中間電極、非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層和下電極構(gòu)成，其中上電極、阻變功能層和中間電極構(gòu)成阻變存儲(chǔ)部分，中間電極、非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層和下電極構(gòu)成選通功能部分，阻變存儲(chǔ)部分和選通功能部分共用中間電極，選通功能部分可以位于阻變存儲(chǔ)部分的上方或下方；非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層由至少兩種勢(shì)壘高度存在差異的材料構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)穿過(guò)阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)單元的正、反向隧穿電流的整流調(diào)制。本發(fā)明引入非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層用于整流，從而實(shí)現(xiàn)電阻單元的選通操作。同時(shí)，由于非對(duì)稱隧穿勢(shì)壘層不用摻雜，不用高溫退火，并且厚度較薄，因此有利于實(shí)現(xiàn)阻變型隨機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行三維高密度集成。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102610749SQ20111002694
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者劉明, 張滿紅, 王艷花, 霍宗亮, 龍世兵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所