[发明专利]电脉冲诱发电阻转变特性的二元氧化物RRAM存储单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有电脉冲诱发电阻转变特性的二元氧化物RRAM电阻式存储单元，具体是指利用顶电极和阻变层之间形成储氧层来实现电脉冲条件下电阻转变的RRAM用多层膜结构存储单元，属于高速存储器件领域。

背景技术

近年来，RRAM由于其具有结构简单以及与现代半导体CMOS工艺匹配性优异等特点，逐渐成为新一代非挥发性存储器的研究热点。在RRAM材料的研究过程中，人们逐渐发现了多种材料体系具有作为RRAM的应用潜力。主要包括：稀土锰氧化物材料、过渡金属钙钛矿型结构材料、二元过渡金属氧化物材料、有机高分子半导体材料以及一些硫化物材料等。其中二元过渡金属氧化物具有结构简单、制备方便，且与现代半导体CMOS工艺更加兼容等特点，近年来受到业界的广泛关注。目前，二元过渡金属氧化物的研究主要有NiO、TiO₂、Cu_xO、Cu-MoO_x、ZnO、Mg-ZnO、Co-ZnO、Mn-ZnO、Fe₂O₃、ZrO₂等。

然而，目前关于脉冲电压触发条件下的电阻转变特性多集中报道于多元化合物，例如Pr_1-xCa_xMnO₃、La_1-xCa_xMnO₃等。而对于二元氧化物而言，目前报道的电阻转变特性主要是I-V特性。脉冲触发条件下表征电阻转变特性的报道较少，这主要是由于二元具有较独特的I-V电阻转变特性，例如电阻转变倍率较大(最大可达10⁸)，高/低阻态转变是一种剧烈的突变，以及需要限流等，所以对可实现脉冲的结构提出了较特殊的要求。

而实现脉冲条件下的电阻转变特性对推进高速RRAM的发展有着至关重要的作用。另外，实现脉冲触发下的电阻转变特性，对进一步深入认识电阻转变机理的本质也有重要意义。

本发明拟采用SiO₂/Si衬底上依次形成的“电极层/阻变氧化物层/储氧层/电极层”多层膜结构构成RRAM存储单元。在施加脉冲电场条件下，利用顶电极与阻变层之间形成的储氧层，实现脉冲触发条件下的电阻转变特性，其稳定性、重复性良好，脉冲作用时间在纳秒级，满足高速RRAM的特性。在二元氧化物RRAM存储结构研究方面，提出利用储氧氧化层来实现脉冲触发电阻转变特性在国内外各类文献中尚未见报道。

发明内容

基于上述对RRAM研究现状的概述，本发明的目的是提供一种具有脉冲触发电阻转变特性的二元氧化物RRAM存储单元。

本发明提供一种电脉冲诱发电阻转变特性的二元氧化物RRAM的存储单元，在衬底上依次形成底电极层、阻变氧化物层和顶电极层，其特征在于在阻变氧化物层和顶电极层在界面处形成一储氧层，提供氧离子存储和释放，所构成的存储单元为多层膜结构。其中，中间阻变层为二元氧化物材料(例如：TiO₂、ZnO、ZrO₂、Cu_xO、NiO、HfO₂、Ta₂O₅、MgO等)；顶电极为金属或化合物电极材料(例如：Ti、Cu、W、Al、Ni、IrO₂、TiN或AZO，AZO为Al掺杂的ZnO导电薄膜)。

本发明采用的底电极为Pt，为良好的惰性电极，具有良好的导电特性，且稳定性良好。

本发明是利用顶电极为易于与阻变层之间形成储氧层的金属或化合物作为顶电极材料(例如：Ti、Cu、W、Al、Ni、IrO₂、TiN、AZO等)。氧离子在阻变层与储氧层之间的运动，导致了脉冲电压作用下二元氧化物电阻转变特性的产生。

本发明是针对二元氧化物阻变材料一般不易实现脉冲触发电阻转变特性问题，利用易于与阻变氧化物层形成储氧层的金属或化合物作为顶电极层材料，制备出底电极层/阻变氧化物层/顶储氧层/电极层的多层膜结构，在纳秒级电脉冲电场作用下，显示非对称电阻转变特性。

本发明所述的存储单元中形成的储氧层，其作用是提供氧离子的储存与释放，从而实现较短脉冲电场作用下的薄膜电阻高/低阻态之间的转变。所述的储氧层为TiO_x、Cu_xO、WO_x、AlO_x、TiON或AZO，AZO为Al掺杂的ZnO薄膜。