專利名稱：采用缺氧金屬氧化物層的非易失性存儲裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用缺氧金屬氧化物的非易失性存儲裝置及其制造方法，更具體地，涉及一種具有存儲節(jié)點的非易失性存儲裝置及其制造方法，在存儲節(jié)點中在下電極和數(shù)據(jù)層之間形成了缺氧金屬氧化物層。
背景技術：
傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)由1T/1C(一個晶體管和一個電容器)的單位單元結構構成。隨著裝置尺寸的減小，制造電容器的工藝難度增加，因而難于高產(chǎn)率地制造DRAM。因此，非常需要可以替代傳統(tǒng)的DRAM并且具有非易失性的存儲器。已經(jīng)進行了一些嘗試以實現(xiàn)和開發(fā)高集成度和低功耗的DRAM、非易失性的閃存、高運行速度的靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)作為下一代存儲器。作為下一代存儲器而受到人們關注的裝置的包括相變RAM(PRAM)、納米浮置柵極存儲器(NFGM)、電阻RAM(ReRAM)、聚合物RAM(PoRAM)、磁RAM(MRAM)和分子電子裝置。
ReRAM裝置具有采用金屬氧化物的金屬絕緣體金屬(MIM)的結構，并且示出存儲特征，即當施加合適的電信號時，MIM結構的狀態(tài)從高阻抗的非導電狀態(tài)即關狀態(tài)改變?yōu)榈妥杩沟膶щ姞顟B(tài)即開狀態(tài)。對于首字母縮寫MIM，M意指上和下金屬電極，并且I意指由絕緣材料形成的數(shù)據(jù)存儲層。
當在傳統(tǒng)MIM存儲器單元結構的存儲節(jié)點中重復開關時，施加到所述存儲節(jié)點上的置位電壓和復位電壓分布的偏差大，并且根據(jù)開狀態(tài)和關狀態(tài)的存儲節(jié)點的電阻值Ron和Roff的分布是不均勻的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種非易失性存儲裝置，所述存儲裝置具有改良了結構，從而在存儲節(jié)點中具有穩(wěn)定的存儲開關特性。
本發(fā)明還公開了一種具有存儲節(jié)點的非易失性存儲裝置的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了一種非易失性存儲裝置，該存儲裝置具有開關裝置和連接到開關裝置的存儲節(jié)點，其中該存儲節(jié)點包括下電極；在下電極上形成的失氧金屬氧化物；在失氧性金屬氧化物層上形成的數(shù)據(jù)存儲節(jié)點；和在數(shù)據(jù)存儲層上形成的上電極。開關裝置可包括晶體管或二極管。
失氧金屬氧化層可以是具有氧空位并且具有比導電金屬氧化物大而比數(shù)據(jù)存儲層小的電阻的金屬氧化物層。
缺氧金屬氧化物層可以由從包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的組中所選擇的材料形成。
缺氧金屬氧化物層可以是ZnO層。
缺氧金屬氧化物層可以具有范圍在1至50nm的厚度。
上電極和下電極可以由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu、和TiN的組中所選擇的材料形成。
下電極可以由Ru形成。
數(shù)據(jù)存儲層可以由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的組中所選擇的材料形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種制造非易失性存儲裝置的方法，包括制備開關裝置；形成連接到開關裝置的下電極；在下電極上形成缺氧金屬氧化物層；在缺氧金屬氧化物層上形成數(shù)據(jù)存儲層；并且在數(shù)據(jù)存儲層上形成上電極。
開關裝置可以包括晶體管或二極管。


通過參考附圖詳細描述本發(fā)明的典型實施例，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點將變得更為顯見，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的非易失性存儲裝置的截面圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的非易失性存儲裝置的存儲節(jié)點結構的截面圖。
圖3A至3D是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲節(jié)點的制造方法的截面圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的非易失性存儲裝置的開關特性的I-V曲線；圖5是示出傳統(tǒng)的非易失性存儲裝置開關特性的I-V曲線；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的非易失性存儲裝置置位電壓值和復位電壓值分布的圖；圖7是示出傳統(tǒng)非易失性存儲裝置置位電壓值和復位電壓值分布的圖；圖8是示出根據(jù)在本發(fā)明實施例的非易失性存儲裝置的開關期間根據(jù)開/關狀態(tài)的存儲節(jié)點的電阻值的分布的圖；圖9是示出在傳統(tǒng)的非易失性存儲裝置的開關期間根據(jù)開/關狀態(tài)的存儲節(jié)點的電阻值的分布的圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將參考附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的典型實施例。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的非易失性存儲裝置的截面圖。
參考圖1，所述非易失性存儲裝置包括晶體管115和連接到晶體管115的存儲節(jié)點19。晶體管115包括源極107S、漏極107D、和柵極105。存儲節(jié)點19包括上電極18、下電極12、插入在上電極18和下電極12之間的缺氧金屬氧化物層14和數(shù)據(jù)存儲層16，絕緣層109布置在存儲節(jié)點19和晶體管115之間。存儲節(jié)點19通過導電接觸栓113連接到晶體管115，并且板電極111布置在存儲節(jié)點19的上電極18上。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的非易失性存儲裝置結構的存儲節(jié)點的截面圖。參考圖2，包含在根據(jù)本發(fā)明實施例的非易失性存儲裝置內(nèi)的存儲節(jié)點包括下電極22、在下電極22上形成的缺氧金屬氧化物層24、在缺氧金屬氧化物層24上形成的數(shù)據(jù)存儲層26和在數(shù)據(jù)存儲層26上形成的上電極28。
上電極28和下電極22可以由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的組中所選擇的一種或多種材料形成，優(yōu)選上電極28由Pt形成并且下電極22由Ru形成。上電極28和下電極22可以使用濺射法、電子束沉積法、或化學氣相沉積(CVD)法形成為從10nm至200nm范圍的厚度。
形成于下電極22上的缺氧金屬氧化物層24表示包括氧空位的金屬氧化物層。在金屬氧化物層中包含的氧空位在施加電壓時吸收氧，并且集中在數(shù)據(jù)存儲層26和缺氧金屬氧化物層24之間的界面上的氧通過影響金屬絲的斷開而增加了存儲器的開關特性。缺氧金屬氧化物層是具有氧空位并且具有比導電金屬氧化物(IrO2、RuO2、SrRuO3、MoO2、OsO2、ReO2、RhO2、WO2)大而比數(shù)據(jù)存儲層(NiO)大的電阻的金屬氧化物層。
缺氧金屬氧化物層24可以使用金屬氧化物形成為從1nm至50nm范圍的厚度，該金屬氧化物具體地是ZnO、ITO、IZO、ZrO、或RuO2。當所述缺氧金屬氧化物層24的厚度超過50nm時，未展示出存儲器的開關特性。
缺氧金屬氧化物層24可以使用濺射法、脈沖激光沉積法、CVD法、有機金屬氣相沉積法、溶膠-凝膠法、或噴射熱分解法形成。
缺氧金屬氧化物層可以由ZnO形成。
根據(jù)工藝條件和形成方法，ZnO可以形成為絕緣體、半導體或?qū)w，并且當ZnO膜形成時，導電度和氧空位根據(jù)氧分壓而變化。更具體地，已知在低氧分壓下形成ZnO薄膜時，形成許多氧空位。如上所述，由于氧空位的形成可以與ZnO的導電特性一起控制，所以ZnO可以是理想的材料。
為了使用ZnO形成缺氧金屬氧化物層24，缺氧金屬氧化層24可以使用ZnO靶作為原材料，在50％或更小的氧分壓下通過在50℃或更低的溫度下使用反應濺射法額外注入氧而形成。
數(shù)據(jù)存儲層26可以由具有可變電阻特性的過渡金屬氧化物形成。更具體地，數(shù)據(jù)存儲層26可以由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的組中所選擇的材料形成。
圖3A至3D是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的包括在非易失性存儲裝置內(nèi)的存儲節(jié)點的制造方法的截面圖。在非易失性存儲裝置中，在本領域中包括源極、漏極、溝道和柵極的半導體開關裝置的制造方法是眾所周知的，因而將省略其詳細描述。
參考圖3A，下電極32形成于硅基底30上。下電極32可以由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的組中所選擇的至少一種材料形成，優(yōu)選Ru。下電極32可以使用濺射法、電子束沉積法或CVD法形成為從10至200nm范圍的厚度。
參考圖3B，在下電極32上形成缺氧金屬氧化物層34。缺氧金屬氧化物層34可以使用諸如ZnO、ITO、IZO、ZrO、RuO2等金屬氧化物形成為從1至50nm范圍的厚度。
缺氧金屬氧化物層34可以使用濺射法、脈沖激光法、CVD法、有機金屬氣相沉積法、溶膠-凝膠法、或噴射熱分解法形成。
參考圖3C和D，數(shù)據(jù)存儲層36在缺氧金屬氧化物層34上形成，上電極38在數(shù)據(jù)存儲層36上形成。
數(shù)據(jù)存儲層36可以由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO和CoO的組中所選擇的材料形成。
上電極38可以由與下電極32相同的材料形成，并且優(yōu)選Pt。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的包含具有Pt/NiO/ZnO/Ru結構的存儲節(jié)點的非易失性存儲裝置的開關特性的I-V曲線。圖5是示出其中包括未包含缺氧金屬氧化物層34的具有Pt/NiO/Pt結構的存儲節(jié)點的傳統(tǒng)非易失性存儲裝置的開關特性的I-V曲線。
參照圖4和5，與傳統(tǒng)Pt/NiO/Pt結構相比，具有Pt/NiO/ZnO/Ru結構的存儲節(jié)點實現(xiàn)了施加到所述存儲節(jié)點上的置位電壓值Vset和復位電壓值Vreset偏差均勻和穩(wěn)定的分布。這里，Vset是置位轉(zhuǎn)變的電壓，并且Vreset是復位轉(zhuǎn)變時在最大電流峰值時的電壓。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的施加到具有Pt/NiO/ZnO/Ru結構的存儲節(jié)點上的置位電壓值和復位電壓值的分布的圖。圖7是示出施加到具有Pt/NiO/Pt傳統(tǒng)結構的存儲節(jié)點上的置位電壓值和復位電壓值的分布的圖。
參考圖6和7，顯見根據(jù)本發(fā)明實施例的具有Pt/NiO/ZnO/Ru結構的存儲節(jié)點與具有Pt/NiO/Pt結構的傳統(tǒng)存儲節(jié)點相比，減小了對于所述開關循環(huán)的Vset和Vreset的標準差。
圖8是示出當存儲節(jié)點開關時，根據(jù)本發(fā)明實施例的具有Pt/NiO/ZnO/Ru結構的存儲節(jié)點根據(jù)開/關狀態(tài)的電阻值的分布。圖9是示出當傳統(tǒng)存儲節(jié)點開關時，具有Pt/NiO/Pt結構的傳統(tǒng)存儲節(jié)點根據(jù)開/關狀態(tài)的電阻值的分布。
參考圖8和9，在根據(jù)本發(fā)明實施例的具有Pt/NiO/ZnO/Ru結構的存儲節(jié)點中，與具有Pt/NiO/Pt結構的傳統(tǒng)存儲節(jié)點相比，減小了對于所述開關循環(huán)的Ron和Roff的標準差。
從而通過減小Ron和Roff的標準差改善了根據(jù)本發(fā)明的存儲節(jié)點結構的存儲特性。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過在存儲節(jié)點中采用缺氧金屬氧化物可以獲得穩(wěn)定的存儲開關特性。更具體地，當重復開關時，可以減小施加到存儲節(jié)點的置位電壓和復位電壓的標準差和根據(jù)開和關狀態(tài)的電阻的標準差。
盡管參考本發(fā)明的典型實施例具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領域的普通技術人員應當理解在不偏離在權利要求中所界定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以進行各種形式和細節(jié)上的變更。
權利要求
1.一種非易失性存儲裝置，具有開關裝置和連接到所述開關裝置的存儲節(jié)點，其中所述存儲節(jié)點包括下電極；在所述下電極上形成的缺氧金屬氧化物層；在所述缺氧金屬氧化物層上形成的數(shù)據(jù)存儲層；和在所述數(shù)據(jù)存儲層上形成的上電極。
2.根據(jù)權利要求1的非易失性存儲裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層是具有氧空位并且具有比導電金屬氧化物大而比所述數(shù)據(jù)存儲層小的電阻的金屬氧化物層。
3.根據(jù)權利要求1的非易失性存儲裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層由從包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的組中所選擇的材料形成。
4.根據(jù)權利要求2的非易失性存儲裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層由從包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的組中所選擇的材料形成。
5.根據(jù)權利要求2的非易失性存儲裝置，其中所述導電金屬氧化物層由從包括IrO2、RuO2、SrRuO3、MoO2、OsO2、ReO2、RhO2和WO2的組中所選擇的材料形成。
6.根據(jù)權利要求2的非易失性存儲裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層是ZnO層。
7.根據(jù)權利要求6的非易失性存儲裝置，其中所述缺氧金屬氧化物層具有在1至50nm范圍的厚度。
8.根據(jù)權利要求1的非易失性存儲裝置，其中所述上電極和下電極由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的組中選擇的材料形成。
9.根據(jù)權利要求1的非易失性存儲裝置，其中所述下電極由Ru形成。
10.根據(jù)權利要求1的非易失性存儲裝置，其中所述數(shù)據(jù)存儲層由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的組中選擇的材料形成。
11.根據(jù)權利要求2的非易失性存儲裝置，其中所述數(shù)據(jù)存儲層由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3、V2O5、WO3、ZnO、和CoO的組中選擇的材料形成。
12.一種制造非易失性存儲裝置的方法，包括制備開關裝置；形成連接所述開關裝置的下電極；在所述下電極上形成缺氧金屬氧化物層；在所述缺氧金屬氧化物層上形成數(shù)據(jù)存儲層；在所述數(shù)據(jù)存儲層上形成上電極。
13.根據(jù)權利要求12的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層是具有氧空位的金屬氧化物層。
14.根據(jù)權利要求12的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層由從包括ZnO、ITO、IZO、ZrO和RuO2的組中所選擇的材料形成。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層具有1至50nm范圍的厚度。
16.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層通過使用濺射法、脈沖激光沉積法、CVD法、有機金屬氣相沉積法、溶膠-凝膠法或噴射熱分解法形成。
17.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述缺氧金屬氧化物層是ZnO層。
18.根據(jù)權利要求12的方法，其中所述ZnO層使用ZnO靶作為原材料在50％或更低的氧分壓下通過在50℃或更低溫度下使用反應濺射法額外注入氧而形成。
19.根據(jù)權利要求12的方法，其中所述上電極和下電極由從包括Pt、Ru、Ir、Pd、Au、Cr、Ni、Cu和TiN的組中選擇的材料使用噴濺法、電子束沉積法或CVD法形成。
20.根據(jù)權利要求19的方法，其中所述下電極由Ru形成。
21.根據(jù)權利要求12的方法，其中所述數(shù)據(jù)存儲層由從包括NiO、Nb2O5、TiO2、Al2O3和ZnO的組中選擇的材料形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用缺氧金屬氧化物層的非易失性存儲裝置和一種所述非易失性存儲裝置的制造方法，其特征在于所述非易失性存儲裝置具有開關裝置和連接到開關裝置的存儲節(jié)點，其中存儲節(jié)點包括下電極、在下電極上形成的缺氧金屬氧化物層、在缺氧金屬氧化物層上形成的數(shù)據(jù)存儲層、和在數(shù)據(jù)存儲層上形成的上電極。
文檔編號H01L21/82GK101075629SQ200610165950
公開日2007年11月21日 申請日期2006年12月11日 優(yōu)先權日2006年5月19日
發(fā)明者趙成逸, 趙重來, 李殷洪, 柳寅儆 申請人:三星電子株式會社