[发明专利]一种具有稳定阻变特性的材料及阻变存储器

说明书

技术领域

本发明是关于半导体非挥发性存储器的阻变材料，具体地说，是关于一种具有稳定阻变特性的材料及阻变存储器。

背景技术

非挥发性存储器是能实现断电保存信息的一种半导体存储器件。非挥发性存储器在当前的电子产品中有着广泛的应用，如手机、个人电子助理(PDA)、IC卡等。半导体器件尺寸不断地缩小，使得集成电路的设计朝着片上系统集成(SOC)的方向发展，而实现SOC的一个关键技术就是低功耗、高密度、存取速度快的片上存储器的集成。非挥发性存储器无需持续供电的特性使它成为未来SOC大规模片上集成存储器的天然候选。由于现在主流的非挥发性存储器(浮栅闪速存储器)还无法满足SOC片上超大规模集成度的要求，新型非挥发性存储器的开发成为了当前研究的热点。在众多新型的非挥性发存储器当中，阻变存储器的器件尺寸在理论上可以近乎无限制地缩小，因此能达到很高的集成度高。此外，阻变存储器还具有器件制造工艺简单，工作电压低等优势。

图1是典型的阻变存储器单元剖面图。阻变存储器的底电极10和顶电极30通常使用Pt、Ti等化学性质较稳定的金属材料。置于底电极和顶电极之间的阻变材料20有TiO₂，ZrO，Cu₂O，SrTiO₃等二元或三元金属氧化物。

阻变存储器的信息读写依靠读取或者改变阻变材料的电阻率实现。通常的阻变材料具有高阻和低阻两种状态。与当前大多数半导体存储器的存储原理不同，阻变存储器并不依靠电容式结构中所存储的电荷量来存储信息，而是依靠材料本身的电阻率的改变。由于材料本身的电阻率与材料的尺度无关，因此理论上阻变存储器的存储性能并不会随着器件尺寸的缩小而退化。这就决定了阻变存储器潜在的集成能力远远高于当前主流的浮栅式闪速存储器。另一方面，阻变存储器的器件结构简单，可以非常容易地实现与现有的CMOS生产工艺的集成。

在阻变存储器的读写操作当中，一般定义高阻态存储一位二进制信息0，低阻态存储一位二进制信息1。由于阻变材料的初始阻态为高阻态，因此将向信息位写入1的操作(对应阻变材料由高阻态转为低阻态)定义为写入操作，而向信息位写入0的操作(对应阻变材料由低阻态转为高阻态)定义为擦除操作。器件写入操作，一般需要在顶电极和底电极之间施加大约1-5V的短电压脉冲，并设置适当的最大电流限制，以避免阻变材料由高阻态转向低阻态的过程中由于电流突然增大数个量级导致器件失效。器件的擦除操作，一般需要施加与写入电压同向或反向的大约0.5-1V的短电压脉冲。用于写入和擦除的电压脉冲宽度从数十纳秒到上百微秒不等，视具体的阻变材料特性而定。擦除电压宽度一般远大于写入脉冲宽度。器件存储信息的读取可以通过施加0.2V左右的小电压并检测相应的电流大小实现。

潜在的超大规模集成能力，与现有生产工艺的良好兼容性以及工作电压低决定了阻变存储器具有广阔的应用前景和良好的商业价值。当前影响阻变存储器大规模应用的主要因素在于阻变材料的电阻转变条件具有较大的随机性，即使是同一个器件其两次转变发生的脉冲条件也常常会有较大的偏差。并且在多次转变的过程中，高低阻态的阻值常常也不稳定，阻值的分布较离散。这种随机离散性使得对阻变存储器的精确控制非常困难，阻碍的阻变存储器的进一步应用。因此，研制新型的能够发生稳定阻变的材料是阻变存储器进一步推广的前提条件。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种阻变存储器的阻变材料、阻变存储器及制备方法，该阻变存储器的阻变材料具有比较稳定的阻变特性，能适用于超大规模集成电路中的存储部件。

本发明的技术方案是：

一种具有阻变特性的材料，其特征在于，该材料为掺入+3价金属元素离子的HfO₂、ZrO₂或CeO₂薄膜。

掺入的金属元素质量百分比含量在0.1％～10％之间。

所述+3价金属元素为铝、镓、铟、钆或钇。

一种阻变存储器，包括底电极、顶电极以及位于上述底电极和顶电极之间的阻变材料，其特征在于，上述阻变材料层为掺入+3价金属元素离子的HfO₂、ZrO₂或CeO₂薄膜。

所述阻变材料层的厚度在10nm～100nm之间。

所述顶电极和底电极可以采用TiN、TaN、HfN或IrO₂材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：