[发明专利]具有自整流特性的RRAM存储单元结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有自整流特性的RRAM存储单元结构及其制备方法，该RRAM存储单元结构包括衬底、下电极、阻变层、整流层、势垒层以及上电极，所述下电极位于所述衬底之上，所述阻变层设置在所述下电极上，所述整流层与势垒层设置在所述阻变层上，所述上电极，设置在所述势垒层上，通过本发明，实现了直接利用具有较低功函数的过渡族金属铪作为下电极的自整流RRAM存储单元新结构，同时本发明仅利用磁控溅射和氧等离子体氧化法便能方便、快速地制备出具有高整流比的氧化物RRAM存储单元。

技术领域

本发明涉及一种阻变存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM)技术领域，特别涉及一种具有自整流特性和阻变特性的RRAM存储单元结构及其制备方法。

背景技术

随着便携式电子设备的不断普及，非挥发存储器(Nonvolatile Memory)在整个存储器市场上所占的份额越来越大。目前，市场上主流的非挥发存储器技术是基于电荷存储机制的“闪存”(flash)存储器件,但是由于这类存储器存在诸如操作电压大、速度慢等缺点，同时，由于器件尺寸缩小过程中隧穿氧化层的减薄容易导致数据保持性能的恶化，使得这类存储器很快将达到物理极限。面临这样的挑战，人们提出了多种基于电阻值变化作为信息存储方式的新型非挥发存储技术，它们包括：磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)等。其中，RRAM具有操作电压低、操作速度快、保持时间长、非破坏性读取、可多值存储、结构简单以及与CMOS工艺兼容等诸多优点，被人们看作是未来最有可能取代闪存的新型存储技术。

RRAM的集成方式主要有两种，即：有源阵列(1T1R)和无源阵列(1D1R或1R)。由于受到晶体管(T)尺寸的限制，有源阵列1T1R结构的单元最小尺寸很难缩小(6F²，F为特征尺寸)，因此通过这种平面二维集成方式所能实现的集成密度是有限的。为此，有人提出了3D堆叠(Crossbar)的概念，即将传统存储单元的平铺结构变为三维垂直结构，就像建造摩天楼一样一层一层堆叠起来。这种3D堆叠方式的好处在于：只要增加堆叠层数，就能成倍地提高存储密度(4F²/N，N为堆叠层数)。但由于无源交叉阵列的自身特点，在3D堆叠过程中，难以避免串扰(Crosstalk)误读现象的发生。过去，解决3D堆叠无源交叉阵列中串扰问题的方法主要是：在每个阻变存储单元上串联一个具有整流特性的二极管(D)，构成1D1R结构。但由于二极管的单相导通特性，1D1R结构仅适用于单极阻变器件。同时二极管的使用，不仅增大了工艺复杂性，而且由于二极管本身电阻的分压作用，与存储单元串联后，不仅会导致操作电压的增加，而且也会恶化存储器件的稳定性。为此，研究人员一直致力于寻找本身就具有整流性质的阻变存储单元，近年来，极具优势的具有1R结构的自整流阻变存储器激发了各国科研工作者的极大兴趣。

自整流阻变存储单元在实现阻值转变的同时还必须具有整流特性，这就加大了存储单元的结构设计难度。目前具有自整流特性的阻变存储单元的结构大致分为两种：单层氧化物结构和多层氧化物结构。在单层氧化物结构中，氧化物固态电解质既扮演阻变层角色，同时还利用其中导电细丝(Filament)与惰性电极界面间所形成的肖特基势垒来实现整流特性，其代表结构有：Au/ZrO₂:nc-Au/n⁺Si、Pt/TaO_x/n-Si等；多层氧化物结构，却是利用不同禁带宽度氧化物分别作为阻变层和势垒层，其代表结构有：Pt/Ta₂O₅/HfO_2-x/TiN、Ni/TiO₂/HfO₂/Ni等。

虽然单层氧化物自整流RRAM存储单元的制备工艺较为简单，但相比于多层氧化物自整流RRAM存储单元来说，其整流比(Self-rectifying Ratio，SR)较低，大多只能停留在10²量级(Gao,S.,et al.Nanoscale 7(14):6031-6038.(2015).)。