一种提高电阻随机存储器数据保持能力的方法技术

本发明专利技术提供一种提高电阻随机存储器数据保持能力的方法，属于半导体存储器技术领域。该方法通过在所述电阻随机存储器的电极和金属氧化物存储介质层之间插入介质薄膜层，使电阻随机存储器的数据保持能力大大提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体存储器
，具体涉及一种电阻随机存储器，尤其涉及一 种通过插入金属氧化物层或者金属氮氧化合物层来提高电阻随机存储器数据保持能力的 方法。
技术介绍
以Flash为代表的传统非挥发性存储器件已经取得了巨大的成功，但是随着工艺 尺寸的不断减小，Flash即将到达它的物理极限。为发展下一代的非挥发存储器替代技术， 一些新型的存储技术正蓬勃地发展着。电阻随机存储器(RRAM)便是这些新型非挥发存储 技术中最耀眼的一种。电阻随机存储器利用存储介质的电阻在电信号作用下，在高阻和 低阻间可逆转换的特性来存储信号。电阻随机存储器由于其优异的按比例缩小(scaling down)能力、与标准逻辑工艺完美兼容，且制备工艺简单，具有很强的成本优势，因此，电阻 随机存储器被认为是下一代非挥发性存储技术中最具潜力的一种。然而，电阻随机存储器 在真正走向应用之前还需要克服很多障碍，其中很关键的一点便是提高其数据保持能力 (data retention)，尤其是在嵌入式应用领域。图1所示为传统的三明治结构的电阻随机存储单元示意图。如图1所示。以1T1R 结构为例，其形成方法一般是先在硅衬底10上形成晶体管的栅极12、栅极介电层14以及源 极/漏极区16之后，再覆盖上一层介电层20，然后在介电层20中形成接触窗插塞22连接 到源极/漏极区16的一端，最后在接触窗插塞22上形成电阻存储单元。传统的电阻存储单 元是以“平面方式”由下向上堆叠，在下电极24上形成金属氧化物存储介质层26，并且在金 属氧化物存储介质层26上形成上电极28。最初，假设该电阻随机存储单元是未被编程的， 为了编程该存储单元，需要将下电极24接地，而施加正电压至上电极28，使得电位Vpg (“编 程”电位)是以存储单元的顺向方向(forward direction)施加在存储单元两端。Vpg电 位在金属氧化物存储介质层26中形成导电细丝(filament)，造成金属氧化物存储介质层 26进入低阻状态(Low Resistance State)。在移除Vpg电位后，在之前形成的Filament 并未断裂，使得金属氧化物存储介质层仍然保持在低阻状态。同理，为了擦除该电阻随机存 储单元，通常需要施加正电压至下电极28，而将上电极24维持接地，使得电位Ver (“擦除” 电位)是以电阻随机存储单元的逆向(reverse)方施加在存储单元两端。Ver电位在存储 材料层26中产生的焦耳热足以将形成的导电细丝(filament)熔断，造成存储材料层26进 入高阻态(High Resistance State)。在移除Ver电位后，属氧化物存储介质层仍然保持在 高阻态。电阻随机存储器在编程电位或者擦除电位去掉以后其低阻态或高阻态的保持时间 定义为数据保持能力(data retention)。图2所示为中国专利公开的又一种电阻随机存储器结构示意图。如图2所示，中国 专利申请号为CN200710043707.9专利中的公开了一种电阻随机存储器，其中，40为衬底， 41为电阻随机存储器的下电极，46为金属氧化物存储介质层，45为上电极，46为位于上电 极和金属氧化物存储介质层之间的介质薄膜。图2所示电阻随机存储器相比于图1所示的电阻随机存储器多了一层介质薄膜26，利用介质薄膜的高阻特性，其产生的较高的焦耳热 来降低电阻随机存储器的复位操作(Reset，也即“擦除”操作)电流。显然，为提高电阻随机存储器的实际应用能力，我们希望电阻随机存储器在被编 程后或被擦除后的具有良好的数据保持能力。因此，很有必要提供一种提高电阻随机存储 器的数据保持能力的方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提高电阻随机存储器的数据保持能力。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种提高电阻随机存储器的数据保持能力的方 法，其电阻随机存储器包括下电极、金属氧化物存储介质层、上电极，其方法特征在于，在所 述电阻随机存储器的电极和金属氧化物存储介质层之间插入介质薄膜层。作为其中第一实施例，在所述电阻随机存储器的上电极和金属氧化物存储介质层 之间插入一层介质薄膜层。所述介质薄膜层为金属氧化物或金属氮氧化物，所述金属氧化 物或金属氮氧化物中的金属元素与所述上电极的金属元素相同。所述金属氧化物或金属氮 氧化物可以通过薄膜沉积的方法形成；所述金属氧化物或金属氮氧化物也可以通过金属氧 化物存储介质层中的氧元素扩散至上电极使上电极氧化形成。作为其中第二实施例，在所述电阻随机存储器的下电极和金属氧化物存储介质层 之间插入一层介质薄膜层。所述介质薄膜层为金属氧化物或金属氮氧化物，所述金属氧化 物或金属氮氧化物中的金属元素与所述下电极的金属元素相同。所述金属氧化物或金属氮 氧化物可以通过薄膜沉积的方法形成；所述金属氧化物或金属氮氧化物可以通过金属氧化 物存储介质层中的氧元素扩散至下电极使下电极氧化形成。作为其中第三实施例，在所述电阻随机存储器的上电极和金属氧化物存储介质层 之间插入第一层介质薄膜层，同时在所述电阻随机存储器的下电极和金属氧化物存储介质 层之间均插入第二层介质薄膜层。所述第一层介质薄膜层为金属氧化物或金属氮氧化物， 其金属氧化物或金属氮氧化物中的金属元素与所述上电极的金属元素相同；所述第二层介 质薄膜层为金属氧化物或金属氮氧化物，其金属氧化物或金属氮氧化物中的金属元素与所 述下电极的金属元素相同。所述金属氧化物或金属氮氧化物可以通过薄膜沉积的方法生形 成；所述金属氧化物或金属氮氧化物也可以通过金属氧化物存储介质层中的氧元素扩散至 电极使下电极或者下电极氧化形成。根据本专利技术提供的提高电阻随机存储器的数据保持能力的方法，其中，所述介质 薄膜层为金属氧化物或金属氮氧化物。所述金属氧化物或金属氮氧化物中的金属元素不同 于金属氧化物存储介质层中的金属元素。所述金属氧化物存储介质层为铜的氧化物、镍的 氧化物、钛的氧化物、锆的氧化物、锌的氧化物、钨的氧化物之一。其特征在于，所述上电极 材料是 Ta、Ti、TaN、TiN、Cu、A1、Pt、W、Ni、Ru、Ru-Ta 合金、Pt-Ti 合金、Ni-Ta 合金之一，或 者是 Ta、Ti、TaN、TiN、Cu、Al、Pt、W、Ni、Ru、Ru-Ta 合金、Pt-Ti 合金、Ni-Ta 合金中任意两 者组合的复合层材料。所述下电极材料是⑶^^“&口^！^仏！^！^？！！^丨之一。所 述薄膜介质层的厚度范围为1纳米到20纳米。本专利技术的技术效果是，通过在电阻随机存储器的电极和金属氧化物存储介质层之 间插入介质薄膜层，介质薄膜层可以在低阻态时起到阻止filament易断裂区域的空穴向电极扩散，从而促使电阻随机存储器保持在低阻态；同时，介质薄膜层可以在高阻态时起到 阻止俘获空穴的氧空位重新移动至filament的断裂区域，从而促使电阻随机存储器保持 在高阻态；因此，使用该方法的电阻随机存储器的数据保持能力大大提高。附图说明图1是传统的三明治结构的电阻随机存储单元示意图；图2是中国专利公开的又一种电阻随机存储器结构示意图；图3是通过第一实施例方法形成的电阻随机存储器结构示意图；图4是图3实施例中电阻随机存储器的低阻态原理解释示意图；图5是图3实施例中电阻随机存储器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高电阻随机存储器数据保持能力的方法，所述电阻随机存储器包括下电极、金属氧化物存储介质层、上电极，其特征在于，在所述电阻随机存储器的电极和金属氧化物存储介质层之间插入介质薄膜层。

【技术特征摘要】
一种提高电阻随机存储器数据保持能力的方法，所述电阻随机存储器包括下电极、金属氧化物存储介质层、上电极，其特征在于，在所述电阻随机存储器的电极和金属氧化物存储介质层之间插入介质薄膜层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电阻随机存储器的上电极和金属 氧化物存储介质层之间插入一层介质薄膜层。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电阻随机存储器的下电极和金属 氧化物存储介质层之间插入一层介质薄膜层。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电阻随机存储器的上电极和金属 氧化物存储介质层之间插入第一层介质薄膜层，同时在所述电阻随机存储器的下电极和金 属氧化物存储介质层之间均插入第二层介质薄膜层。5.根据权利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于，所述介质薄膜层为金属氧化 物或金属氮氧化物。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物或金属氮氧化物中的金 属元素不同于金属氧化物存储介质层中的金属元素。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述介质薄膜层为金属氧化物或金属氮 氧化物，所述金属氧化物或金属氮氧化物中的金属元素与所述上电极的金属元素相同。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物或金属氮氧化物通过薄 膜沉积的方法形成。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物或金属氮氧化物通过金 属氧化物存储介质层中的氧元素扩散至上电极使上电极氧化形成。10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述介质薄膜层为金属氧化物或金属氮 氧化物，所述金属氧化物或金属氮氧化物中的金属元素与所述下电极的金属元素相同。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：林殷茵，万海军，周鹏，吕杭炳，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]