[发明专利]一种导电通道可控性形成的阻变式存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及非挥发性阻变式存储器及其制备方法。

背景技术

随着科技的进步与存储市场的发展，研发高速擦写、低功耗、非挥发性以及多次写入性能的固态通用性存储器已经成为半导体行业最值得关注的前沿技术热点。由金属(Metal)-氧化物(Insulator)-金属(Metal)构成的阻变式存储器(Resistive Random Access Memory)由于其结构简单、存储速度快、低功耗、存储密度大等优点，也成为了固态通用性存储器领域的发展对象之一。RRAM存储材料的选择范围很大，包括多元氧化物Pr_0.7Ca_0.3MnO₃、La_0.7Ca_0.3MnO₃、SrTiO₃等，以及二元氧化物TiO₂、ZnO、NiO、CuO、ZrO₂、HfO₂等。采用激光脉冲沉积或者磁控溅射或者原子层沉积技术，将存储材料生长在Pt/Ti/SiO₂/Si基片(或者n⁺-Si)，其中金属Pt充当底电极的作用；文献报道的顶电极(Au、Pt、Ti、Al、Ag、Cu、Nb等)尺寸一般在几微米或者几百微米之间，常用光刻或影孔板法(shadow mask)来制作。RRAM存储技术是在电压脉冲的作用下通过改变MIM结的电阻状态来实现信息存储的能力，具体过程：对具有MIM结构的异质(或同质)结，施加正负交替或同一极性不同幅值的电脉冲时，电场的方向是从顶电极“M”经过氧化物层“I”到达底电极“M”，该结的电阻会在高低两个电阻状态下转变。如将高阻态定义为“0”，低阻态定义为“1”，就可以实现信息的存储。

根据电流与电压关系曲线，RRAM可以分为两类：单极性(unipolar resistive switching)和双极性(bipolar resistive switching)存储器。双极性(BRS)存储器，电阻的状态的改变只能在施加极性相反的电压(或脉冲)的条件下才能实现；单极性(URS)存储器的电阻状态的改变是不依赖于电压的极性，在同一方向下，通过改变电压的幅值就能实现。一般由二元氧化物制备的RRAM，基本上性质符合URS行为，所以考虑到材料的简单性，URS存储器可能会有更大的实际应用前景。

目前RRAM器件的读写电流最好的结果是50微安，这已经远远满足Terabit-scale存储器件的要求。还有电压脉冲的宽度可以缩小到10纳秒，存储擦写次数达到了10¹²次，足以满足国际半导体技术蓝图组织提出的研制下一代通用性存储器的要求。虽然RRAM取得了很好的实验结果，但是实际应用中还是存在一些问题，比如器件的均匀性，稳定性和可靠性。特别是单极性阻变存储器的软击穿电压(“Forming”电压)和转变电压或读写电流(V_Set or V_Reset，I_Set or I_Reset)的分布交叠问题，读写电流(I_Set or I_Reset)偏大的问题。要解决这些问题，还是需要从URS的存储的物理机制上来考虑。URS实现过程：首先在制备的存储单元(MIM结)上加一个高电压，我们将此高电压称之为“Forming”电压，在“Forming”高电压的作用下，MIM结的中间层(“I”层)即RRAM存储氧化物层内部形成了一个或者若干纳米量级大小的导电通道(conducting filaments)，此导电通道会贯穿于上下两个金属(“M”)电极，此时器件处于低电阻状态；然后再施加一个远低于“Forming”电压的V_Reset电压，由于导电通道处电阻非常小，电流会聚集在通道内部流通，因此导电通道会在焦耳热的作用下熔断，器件回到高电阻状态；接下来，施加V_Set电压(低于“Forming”电压)，导电通道会在其他部位重新形成，器件又回到低电阻状态。关于导电通道的成分，还存在争论，有可能是中间层氧化的亚稳态比如TiO_x、CuO_x等。综上所述，通道的形成对于URS来讲，是非常重要的，尤其是通道的结构、形状、大小、数量等直接影响了读写电流的大小，通道形成的易难程度决定了“Forming”电压与V_Set电压的幅值和分布情况。因此，需要一种通过非电压软击穿的方式来调控阻变存储器的导电通道的形成方法。