專利名稱：在下電極上具有緩沖層的可變電阻存儲器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及非易失性存儲器件，更特別地，涉及非易失性可變電阻存儲器件，其在包括具有可變電阻特性的過渡金屬氧化物的存儲器件的下電極上采用緩沖層，從而導致復位電流(reset current)減小。
背景技術：
已經進行了許多努力來研發具有增大的每單位面積存儲單元數，即增大的集成密度的半導體器件，且該半導體器件可以以低功耗高速運行。
通常，半導體存儲器件包括通過電路連接的多個存儲單元。在用作一般半導體存儲器件的動態隨機存取存儲器(DRAM)中，單位存儲單元通常包括一個開關和一個電容器。DRAM具有高集成密度和高運行速度的優點。但是，問題在于當切斷電源時，丟失其所存儲的所有數據。
在非易失性存儲器件例如閃存器件中，即使切斷電源，仍然保持所存儲的全部數據。與易失性存儲器不同，閃存具有非易失性特點，但其缺點在于相較于DRAM，其具有低集成密度和低運行速度。
目前研究較多的非易失性存儲器件可包括磁隨機存取存儲器(MRAM)、鐵電隨機存取存儲器(FRAM)、相變隨機存取存儲器(PRAM)、電阻隨機存取存儲器(RRAM)等。
諸如上述RRAM的非易失性存儲器利用過渡金屬氧化物的電阻根據施加到該過渡金屬氧化物的電壓而變化的特性(可變電阻特性)。
圖1A示出可變電阻RAM(RRAM)的一般結構。使用過渡金屬氧化物(TMO)作為可變電阻材料的RRAM具有開關特性，使其能用作存儲器。
參考圖1A，形成下電極10、氧化物層12和上電極14。下電極10和上電極14通常由導電材料構成，一般為金屬，氧化物層12由具有可變電阻特性的過渡金屬氧化物構成。過渡金屬氧化物的特別示例包括ZnO、TiO2、Nb2O5、ZrO2、NiO等。
圖1B是示出圖1A所示的常規非易失性可變電阻存儲器件的操作特性的曲線圖。下電極由具有約20nm厚度的Ru構成，在下電極上形成氧化物層。氧化物層由具有約50nm厚度的NiO構成。在氧化物層上形成上電極且上電極由具有約20nm厚度的Ru構成。然后，施加電壓并測量電流。
參考圖1B，當第一開關循環中施加約0.7V的電壓時，復位電流約為3mA。但是，當進行了50次開關操作循環時，復位電流大大增加至約50mA。由此得知，當重復進行開關操作時，氧化物層12的電阻狀態連續改變。結果，操作電壓增大且復位電壓增大，其導致存儲器件可靠性下降的問題。因此，需要研發具有穩定操作特性的存儲器件。
發明內容
本發明提供一種非易失性存儲器件，通過在下電極和氧化物層之間采用緩沖層，盡管重復開關操作，該存儲器件仍能表現出穩定的復位電流。
根據本發明的一個方面，提供一種包括可變電阻材料的非易失性存儲器件，該存儲器件包括下電極；形成在該下電極上的緩沖層，該緩沖層由氧化物構成；形成在該緩沖層上的氧化物層，該氧化物層具有可變電阻特性；以及形成在該氧化物層上的上電極。
該緩沖層的功函數可以高于該下電極的功函數。
該上電極的功函數可以高于該氧化物層的功函數。
該下電極可以由具有低于5.0eV的功函數的材料構成。
該下電極可以由W、Ta、Cu、Hf、Mo、Sr、Ag、In或Cr構成。
該緩沖層可以由具有高于5.0eV的功函數的材料構成。
該緩沖層可以由Ru氧化物、Ir氧化物、Cu氧化物、Mn氧化物或Ta氧化物構成。
該氧化物層可以由具有可變電阻特性的p型過渡金屬氧化物構成。
該氧化物層可以由Ni氧化物或Cu氧化物構成。
該上電極可以由選自Ru、Rh、Co、Pd、Ni、Re、Pt、Ru-Ta合金、Pt-Hf合金、Pt-Ti合金、Co-Ni合金或Ni-Ta合金的材料，或這些材料的合金構成。
通過參照附圖詳細描述其示例性實施例，本發明的上述和其他特征和優點將變得更加明顯，附圖中
圖1A是示出常規非易失性可變電阻存儲器件的視圖；圖1B是示出常規非易失性可變電阻存儲器件的操作特性的圖示；圖2是示出根據本發明一實施例的具有形成在下電極上的緩沖層的可變電阻存儲器件的視圖；圖3是曲線圖，示出電壓-電流(V-I)特性以說明可變電阻存儲器件的操作原理；圖4A是示出根據本發明一實施例具有形成在Ru下電極上的緩沖層的可變電阻存儲器件中根據開關循環的閾值電壓的圖示；圖4B和4C是示出根據本發明一實施例具有形成在Ru下電極上的緩沖層的可變電阻存儲器件中根據開關循環的電流和電阻的圖示；圖5A是示出根據本發明一實施例具有形成在W下電極上的緩沖層的可變電阻存儲器件中根據開關循環的閾值電壓的圖示；圖5B和5C是示出根據本發明一實施例具有形成在W下電極上的緩沖層的可變電阻存儲器件中根據開關循環的電流和電阻的圖示。
具體實施例方式
下文中，將參考附圖詳細描述根據本發明一實施例的可變電阻存儲器件。在圖中，為清楚起見放大了層的厚度和區域。
圖2是示出根據本發明一實施例的可變電阻存儲器件的視圖。參考圖2，根據本發明一實施例的可變電阻存儲器件包括下電極20和依次形成在下電極上的緩沖層22、氧化物層24和上電極26。
下電極20可優選由具有低于5.0eV的功函數的材料構成，例如W、Ta、Cu、Hf、Mo、Sr、Ag、In或Cr。緩沖層22優選由具有比下電極20高的功函數的n型氧化物構成，例如，n型氧化物可以是Ru氧化物、Ir氧化物、Cu氧化物、Mn氧化物或Ta氧化物。在金屬和n型半導體材料之間的結界面處形成肖特基結或歐姆接觸。當緩沖層22由具有比下電極20高的功函數的n型氧化物構成時，在下電極20和緩沖層22之間形成歐姆接觸結構。
氧化物層24優選由具有可變電阻特性的過渡金屬氧化物構成，特別地，可以由p型氧化物構成，例如Ni氧化物或Cu氧化物。上電極26優選由具有比氧化物層24高的功函數的材料構成。例如，當氧化物層24由NiO構成時，由于NiO具有約4.2eV的功函數，所以上電極26優選由具有高于4.2eV的功函數的材料構成。例如，上電極26可以由選自Ru、Rh、Co、Pd、Ni、Re、Pt、Ru-Ta合金、Pt-Hf合金、Pt-Ti合金、Co-Ni合金或Ni-Ta合金的材料，或者這些材料的合金構成。在金屬和p型半導體材料之間的結界面處形成肖特基結或歐姆接觸。如上所述，當上電極26具有比氧化物層24高的功函數時，在上電極26和氧化物層24之間形成歐姆接觸結構。
結果，根據本發明一實施例的可變電阻存儲器件的特征在于在下電極20和緩沖層22之間以及在氧化物層24和上電極26之間形成歐姆接觸結構。當緩沖層22由n型氧化物構成且氧化物層24由p型氧化物構成時，本發明的可變電阻存儲器件包括二極管結構。
圖2示出根據本發明一實施例的可變電阻存儲器件的僅單元器件，但是在應用中，可以沿第一方向形成多個下電極20，沿與第一方向交叉的第二方向形成多個上電極26，緩沖層22和氧化物層24可以形成在下電極20和上電極26彼此交叉的部分，由此形成交叉點(cross-point)型結構。由于不需要單獨的開關器件，因此可以大大提高集成密度。
如上所述，根據本發明一實施例的包括可變電阻材料的非易失性存儲器件可以利用濺射通過PVD、原子層沉積(ALD)或CVD工藝來容易地制造。
圖3是示出可變電阻存儲器件的操作原理的圖示。在圖3中，水平軸表示施加到可變電阻存儲器件的下電極20和上電極26之間的電壓，垂直軸表示流過氧化物層24的電流。參考圖3，當電壓從0V逐漸增大時，電流沿曲線G1與施加的電壓成比例地增大。但是，當施加電壓V1或更高電壓時，電流由于電阻的突然增大而減小。當施加V1至V2范圍內的電壓時，電流沿曲線G2增大。當施加電壓V2(V2＞V1)或更高電壓時，電流由于電阻的突然減小而增大且電流遵循曲線G1。這里，曲線G1的狀態定義為“開”，曲線G2的狀態定義為“關”。此外，電壓V1定義為置位電壓，電壓V2定義為復位電壓。
同時，當施加高于V1的電壓時存儲器件的電特性影響施加低于V1的電壓時顯示的電特性，下面將對其進行詳細描述。首先，將V1至V2范圍內的電壓施加到存儲器件之后，當再次施加低于V1的電壓時，所測量的電流遵循沿曲線G2的電流。同時，在將高于V2的電壓施加到存儲器件之后，且當再次施加低于V1的電壓時，所測量的電流遵循沿圖3的曲線G1的電流(這里，V3未在圖3中示出)。由此可知，存儲器件的電特性受高于V1的施加電壓(在V1～V2范圍內或高于V2)的影響。由以上結果可知，使用過渡金屬氧化物的非易失性存儲器件可以采用表現出電阻變化的多層結構。例如，當施加圖3中V1～V2范圍內的電壓時存儲器件的狀態定義為“0”，當施加高于V2的電壓來記錄數據時存儲器件的狀態定義為“1”。當讀取數據時，施加低于V1的電壓來測量流過氧化物層的電流，從而檢測記錄在存儲器件中的數據是處于狀態“0”還是處于狀態“1”。這里，狀態“1”和“0”的指定可選擇性地確定。
圖4A至4C是示出可變電阻存儲器件的操作特性的圖示，該可變電阻存儲器件中在Ru下電極(20nm)上形成Ru氧化物以形成緩沖層(20nm)，并在緩沖層上形成NiO氧化物層(50nm)和Ru上電極(20nm)。圖4A示出當進行500次開關操作循環時的閾值電壓。當進行250次或更少的開關操作循環時，置位電壓或多或少保持200次或更多循環次數時的常量，且復位電壓約為0.5V，其保持恒定。圖4B示出當開關操作的循環數量為500時的置位電流和復位電流。隨著開關操作循環數量的增加，復位電流逐漸增大，但在約10mA處保持恒定，與常規開關器件中50mA的復位電流相比大大減小。圖4C是示出當開關操作的循環數量為500時處于“開”狀態和“關”狀態的電阻的圖示。參考圖4C，表明隨著開關操作循環數量的增加，顯示出穩定的電阻特性。雖然未在圖中示出，但是對于約1000次開關操作顯示出非常穩定的特性。與圖1B所示的常規可變電阻存儲器件相比，復位電流大大降低，且開關操作的穩定性大大改善。
圖5A至5C是示出可變電阻存儲器件的操作特性的圖示，該可變電阻存儲器件中在W下電極(20nm)上形成Ru氧化物以形成緩沖層(20nm)，并在緩沖層上形成NiO氧化物層(50nm)和Ru上電極(20nm)。圖5A示出當開關操作的循環數量為250時的閾值電壓，可知置位電壓依賴于開關操作次數或多或少保持恒定，且復位電壓也保持恒定。圖5B是示出當開關操作的循環數量為250時的置位電流和復位電流的圖示。參考圖5B，復位電流通常落在1至3mA范圍內，與開關操作的循環數量無關。由此結果得知，與常規開關器件中50mA的復位電流相比，該開關器件的復位電流大大減小。圖5C是示出當開關操作的循環數量為250時處于“開”狀態和“關”狀態的電阻的圖示。參考圖5C，“開”狀態和“關”狀態的電阻顯示出非常穩定的特性，與開關操作的循環數量無關。
根據本發明，該非易失性存儲器件具有穩定的開關特性和簡單的結構，并且作為交叉點型存儲器件，其具有高集成度的優點。而且，該非易失性存儲器件通過在上電極和存儲節點之間形成緩沖層而提供了穩定的操作特性。
雖然參照其示例性實施例特別顯示和描述了本發明，但是本領域技術人員將理解，在不偏離所附權利要求定義的本發明的思想和范圍的情況下，可進行形式和細節上的各種變化。
權利要求
1.一種包括可變電阻材料的非易失性存儲器件，該存儲器件包括下電極；形成在該下電極上的緩沖層，該緩沖層由氧化物構成；形成在該緩沖層上的氧化物層，該氧化物層具有可變電阻特性；以及形成在該氧化物層上的上電極。
2.根據權利要求1的可變電阻存儲器件，其中該緩沖層的功函數高于該下電極的功函數。
3.根據權利要求1的可變電阻存儲器件，其中該上電極的功函數高于該氧化物層的功函數。
4.根據權利要求1的可變電阻存儲器件，其中該下電極由具有低于5.0eV的功函數的材料構成。
5.根據權利要求4的可變電阻存儲器件，其中該下電極由W、Ta、Cu、Hf、Mo、Sr、Ag、In或Cr構成。
6.根據權利要求1的可變電阻存儲器件，其中該緩沖層由具有高于5.0eV的功函數的材料構成。
7.根據權利要求6的可變電阻存儲器件，其中該緩沖層由Ru氧化物、Ir氧化物、Cu氧化物、Mn氧化物或Ta氧化物構成。
8.根據權利要求1的可變電阻存儲器件，其中該氧化物層由具有可變電阻特性的p型過渡金屬氧化物構成。
9.根據權利要求8的可變電阻存儲器件，其中該氧化物層由Ni氧化物或Cu氧化物構成。
10.根據權利要求1的可變電阻存儲器件，其中該上電極由選自Ru、Rh、Co、Pd、Ni、Re、Pt、Ru-Ta合金、Pt-Hf合金、Pt-Ti合金、Co-Ni合金或Ni-Ta合金的材料，或者這些材料的合金構成。
全文摘要
本發明提供一種包括可變電阻材料的非易失性存儲器件。該非易失性存儲器件包括下電極；形成在該下電極上的緩沖層，該緩沖層由氧化物構成；形成在該緩沖層上的氧化物層，該氧化物層具有可變電阻特性；以及形成在該氧化物層上的上電極。
文檔編號H01L27/24GK101068038SQ20061015988
公開日2007年11月7日 申請日期2006年11月2日 優先權日2006年5月4日
發明者埃爾·M·布里姆, 李殷洪, 趙重來 申請人:三星電子株式會社