一种双向限流的新型RRAM器件及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种双向限流的新型RRAM器件，所述RRAM器件包括底电极、阻变层和顶电极，所述底电极采用储氧电极材料诱导阻变层中的氧空位形成导电丝，所述阻变层为内部含有氧元素的氧化物，所述顶电极采用可注射的金属电极生成金属丝导电桥。本发明专利技术还提供了所述RRAM器件的制作方法，步骤如下：在石英玻璃片上制作底电极；采用磁控溅射的方式在所述底电极的上方制作一层阻变层；采用磁控溅射的方式在所述阻变层的上方制作顶电极，即得到新型RRAM器件。本发明专利技术提供的新型RRAM器件融合了氧空位和金属阳离子两种机制，通过实验分析可得该新型RRAM器件有稳定的阻变过程且在节能等方面具有优势。

【技术实现步骤摘要】
一种双向限流的新型RRAM器件及其制作方法
本专利技术涉及集成电路器件
，尤其涉及一种双向限流的新型RRAM器件及其制作方法。
技术介绍
随着以“互联网技术”为基石的第四次工业革命的稳步推进，全球范围内的数据信息正在井喷式增长；与此同时，虽然存储技术也取得了长足的发展，但由于“摩尔定律”的限制，存储器的发展速度远远落后于数据信息的增长速度。除此之外，基于计算与存储分离的冯洛伊曼结构的信息处理方式也越来越不适应海量的信息处理。RRAM(ResistiveRandomAccessMemory，阻变式存储器)器件一出现就收到了人们的高度关注，因为RRAM器件是一种纳米级器件且不受“摩尔定律”的限制；它不仅具有存储能力，而且还有完备的逻辑计算能力，能够同时达到计算和存储的目的，有望突破“冯洛伊曼结构”。RRAM器件是以通过施加外部电压使器件在高阻和低阻之间来回切换以实现数据存储与处理为基本工作原理，其典型结构为三明治结构，即由顶电极、底电极及中间夹杂着的阻变层材料构成。RRAM器件的此类结构是通过各种制作方法如磁控溅射、溶胶-凝胶法、ALD法等将薄膜材料一层层生长上去，即先生长底电极，其次生长中间阻变层，最后生长顶电极。其中，电极可分为活性电极和惰性电极，此两类电极的通用功能为导电，除此外，活性电极的重要作用是可以作为蓄氧池即存储氧气。而阻变层材料是RRAM器件电阻变化发生的位置。RRAM器件按阻变材料可分为很多类，其中基于氧化物的RRAM器件有组份简单、与传统CMOS工艺相兼容的特点而备受关注。基于氧化物的RRAM器件通常有两类：第一类为OxRRAM，其阻变过程由氧化物薄膜中氧空位所形成的导电细丝的形成或断裂所决定；第二类为CBRRAM，由金属阳离子注射所形成的导电桥的导通或断裂完成阻变过程。此两种类型的不同是取决于电极材料的不同，当采用不可注射的电极材料则其阻变取决于阻变层氧化物内部氧离子的运动(即OxRRAM)，若采用可注射的电极材料则其阻变取决于金属离子在氧化物薄膜中的运动(即CBRRAM)。目前而言，国内外研究员都集中于将此两类器件分开研究。即便某些研究发现器件中有氧空位和金属阳离子注射的情况，但就整体而言还是某一单一机制起主导作用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种融合氧空位和金属阳离子注射两种机制于一体的双向限流的新型RRAM器件，还提供了过程简单的新型RRAM器件的制作方法。本专利技术提供一种双向限流的新型RRAM器件，所述RRAM器件包括底电极、阻变层和顶电极，所述底电极采用储氧电极材料诱导阻变层中的氧空位形成导电丝，所述阻变层为内部含有氧元素的氧化物，所述顶电极采用可注射的金属电极生成金属丝导电桥。进一步地，所述底电极选用200取向TiN电极、Ta电极、Al电极、Ti电极、Nb电极中的任一种，其中，200取向TiN电极由氮化钛、氮氧化钛和二氧化钛组成，氮化钛的摩尔分数为11％～42％，氮氧化钛的摩尔分数为17％～47％，二氧化钛的摩尔分数为26％～56％。进一步地，所述顶电极选用Ag电极或Cu电极或Ni电极中的任一种。进一步地，所述阻变层为二元氧化物或三元氧化物。进一步地，所述RRAM器件在双向限流下能稳定地实现阻变过程。进一步地，在小限流时，所述RRAM器件能实现稳定的阻态变化过程；在大限流时，所述RRAM器件维持在低阻，无阻变效果；在不限流时，所述RRAM器件会被击穿。本专利技术还提供一种上述双向限流的新型RRAM器件的制作方法，包括以下步骤：在石英玻璃片上制作底电极；采用磁控溅射的方式在所述底电极的上方制作一层阻变层；采用磁控溅射的方式在所述阻变层的上方制作顶电极，得到RRAM器件。本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术提供的新型RRAM器件融合了氧空位和金属阳离子两种机制，通过实验分析可得该新型RRAM器件有稳定的阻变过程且在节能等方面具有优势。附图说明图1是本专利技术实施例1制得的新型RRAM器件的结构示意图。图2是本专利技术实施例1制得的新型RRAM器件的电学测量结果图。图3是本专利技术图2中的局部放大示意图。图4是本专利技术实施例1制得的新型RRAM器件在双向限流下的测量结果图。图5是本专利技术实施例1制得的新型RRAM器件在不同反向限流下的测量结果图。图6是本专利技术实施例1制得的新型RRAM器件的内部示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。请参考图1，本专利技术的实施例提供了一种双向限流的新型RRAM(ResistiveRandomAccessMemory，阻变式存储器)器件，包括底电极、阻变层和顶电极，底电极采用有很强吸氧能力的储氧电极材料诱导阻变层中的氧空位形成导电丝，通常可以选用200取向TiN电极、Ta电极、Al电极、Ti电极、Nb电极中的任一种，其中，200取向TiN电极由氮化钛、氮氧化钛和二氧化钛组成，氮化钛的摩尔分数为11％～42％，氮氧化钛的摩尔分数为17％～47％，二氧化钛的摩尔分数为26％～56％，200取向TiN电极的内部分子呈规则有序的晶体结构状排列；阻变层为内部含有氧元素的氧化物，通常为二元氧化物或三元氧化物；顶电极采用可注射的金属电极生成金属丝导电桥，通常可以选用Ag电极或Cu电极或Ni电极中的任一种，尺寸为200μm。本专利技术的实施例还提供了上述双向限流的新型RRAM器件的制作方法，包括以下步骤：在石英玻璃片上制作底电极；采用磁控溅射的方式在底电极的上方制作一层阻变层；采用磁控溅射的方式在阻变层的上方制作顶电极，得到新型RRAM器件。下面结合实施例1对本专利技术的新型RRAM器件的特点进行详细地说明。实施例1：选取200取向TiN电极作为底电极，HfO2为中间阻变层，Ag作为顶电极，具体的制作步骤如下：先在石英玻璃片上制作底电极；然后在遮挡部分底电极的上面采用磁控溅射的方法制作一层中间阻变层；最后，用一个带圆形孔的金属掩膜版采用磁控溅射工艺制作顶电极，得到的新型RRAM器件的结构如图1所示。对实施例1制得的新型RRAM器件的性能验证过程如下：首先按照一般的RRAM器件测量方法，对该新型RRAM器件进行测量，在进行电学测量时，分别将电源的正负极接在新型RRAM器件的底电极和顶电极之上，测量结果如图2所示，从图2可得该新型RRAM器件在给Ag电极施加负电压时有剧烈电流变化，新型RRAM器件由低阻变为高阻；而再次给Ag电极施加正电压，新型RRAM器件并没有从高阻态变回低阻态，说明该新型RRAM器件已被击穿，图3为图2中圆圈标注的区域的放大图，从图3可以看出初次给Ag电极施加正电压时，新型RRAM器件是有阻态变化的(即由高阻变为低阻)；改变测量方法，由单端限流改为双端限流，测量结果如图4所示，图4说明新型RRAM器件实现了稳定的阻变过程，上述结果证实了此结构的新型RRAM器件在双向限流下能稳定地实现阻变过程。从以上测量结果可知，反向的限流值(给Ag电极施加负向扫描的半个周期)对新型RRAM器件的性能有重要影响，进而对不同的反向限流值进行了测试，测试结果如图5所示：首先将反向限流值从0.008A增大到0.01A，从图5(a)可看出新型RRAM器件还能够实现阻变变换过程；继续增大限流值到0.012A，给本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向限流的新型RRAM器件，其特征在于，所述RRAM器件包括底电极、阻变层和顶电极，所述底电极采用储氧电极材料诱导阻变层中的氧空位形成导电丝，所述阻变层为内部含有氧元素的氧化物，所述顶电极采用可注射的金属电极生成金属丝导电桥。

【技术特征摘要】
1.一种双向限流的新型RRAM器件，其特征在于，所述RRAM器件包括底电极、阻变层和顶电极，所述底电极采用储氧电极材料诱导阻变层中的氧空位形成导电丝，所述阻变层为内部含有氧元素的氧化物，所述顶电极采用可注射的金属电极生成金属丝导电桥。2.如权利要求1所述的双向限流的新型RRAM器件，其特征在于，所述底电极选用200取向TiN电极、Ta电极、Al电极、Ti电极、Nb电极中的任一种，其中，200取向TiN电极由氮化钛、氮氧化钛和二氧化钛组成，氮化钛的摩尔分数为11％～42％，氮氧化钛的摩尔分数为17％～47％，二氧化钛的摩尔分数为26％～56％。3.如权利要求1所述的双向限流的新型RRAM器件，其特征在于，所述顶电极选用Ag电极或Cu电极或Ni电极中的任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：董凯锋，孙超，卢慎敏，袁震宇，朱来哲，晋芳，莫文琴，宋俊磊，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42