專利名稱：電阻式存儲(chǔ)器的制作方法
電阻式存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)， 且特別是有關(guān)于一種電阻式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
目前，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器是以快閃式存儲(chǔ)器(Flash)為主流，但隨著元件不斷微縮， 快閃式存儲(chǔ)器面臨柵極穿透氧化層過(guò)薄導(dǎo)致記憶時(shí)間縮短，以及操作電壓過(guò)大等缺點(diǎn)。因此，各種不同型態(tài)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器正積極的被研發(fā)以取代快閃式存儲(chǔ)器，其中電阻式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器(Resistive Random Access Memory,RRAM)通過(guò)電阻值的改變來(lái)達(dá)到記憶效應(yīng)，并利用其非揮發(fā)的特性作為存儲(chǔ)器元件，具有操作電壓小、記憶時(shí)間長(zhǎng)、多狀態(tài)記憶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及面積小等優(yōu)點(diǎn)，極有潛力取代目前的快閃式存儲(chǔ)器。
美國(guó)專利US7208372 B2揭露了一種利用納米尖端底電極結(jié)構(gòu)來(lái)改善電阻式存儲(chǔ)器，此納米尖端高度大約為5到50納米，如此利用尖端放電的原理來(lái)固定導(dǎo)通路徑在某些特定區(qū)域進(jìn)而使操作特性穩(wěn)定，只是其納米尖端的高度控制與刻蝕仍是棘手問(wèn)題。美國(guó)專利US2010/0108972A1揭露了一種利用金屬性納米碳管在底電極之上分布的電阻式存儲(chǔ)器，與US7208372 B2專利比較上，其存儲(chǔ)器可以在垂直尺度上更加微縮，且制作方式更為簡(jiǎn)單，乃利用隨機(jī)散布的納米碳管或者是納米線與納米顆粒于底電極之上，如此造成特定的導(dǎo)通路徑區(qū)域進(jìn)而改善電阻式存儲(chǔ)器的操作穩(wěn)定性，只是其制作方式仍較為復(fù)雜麻煩，并非半導(dǎo)體業(yè)界輕易接受；美國(guó)專利US 2007/0090444A1則揭露一種將固定位置的納米點(diǎn)鑲嵌于電阻轉(zhuǎn)態(tài)薄膜內(nèi)的電阻式存儲(chǔ)器，其是利用定義好的納米點(diǎn)來(lái)固定控制電阻轉(zhuǎn)態(tài)的導(dǎo)通路經(jīng)區(qū)域而穩(wěn)定其操作特性，其制作方式為利用Focus ion beam (FIB)先在第一層轉(zhuǎn)態(tài)薄膜上定義出特定區(qū)域，使其區(qū)域帶有特定的極性(正電或者是負(fù)電)，之后利用化學(xué)氣相沉積方法沉積帶電的特定極性金屬材料，如此可于第一層轉(zhuǎn)態(tài)薄膜上出現(xiàn)特定納米點(diǎn)，之后再覆蓋第二層轉(zhuǎn)態(tài)薄膜，如此可完成特定區(qū)域納米點(diǎn)的電阻式存儲(chǔ)器，只是其制作方式要使用到FIB儀器使其產(chǎn)品制作速度下降，降低其商業(yè)化應(yīng)用空間。
另一方面，電阻式存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)有兩種一個(gè)晶體管與一個(gè)電阻式存儲(chǔ)器的組合(ITlR)和一個(gè)二極管(diode)與一個(gè)電阻式存儲(chǔ)器的組合(IDlR)，其中IDlR電阻式存儲(chǔ)器具有可微縮至較小元件的優(yōu)勢(shì)，但需匹配一種單邊電阻轉(zhuǎn)態(tài)(unipolar resistive switching behavior)的電阻體才能達(dá)成IDlR電阻式存儲(chǔ)器的功能。中國(guó)臺(tái)灣專利 201003899揭露了一種利用柱狀晶粒且具有特定優(yōu)選結(jié)晶性且具有電阻轉(zhuǎn)態(tài)的氧化物層， 通過(guò)柱狀晶粒的平直晶界(Grain Boundary)來(lái)提供電流驅(qū)動(dòng)離子移動(dòng)時(shí)的路徑，此方式可提供穩(wěn)定的雙邊電阻轉(zhuǎn)態(tài)操作，但其單邊電阻轉(zhuǎn)態(tài)操作特性仍不理想，其需較大的操作電流以及極少的操作次數(shù)表現(xiàn)。
因此，業(yè)界需要的是一種能夠解決上述問(wèn)題的電阻式存儲(chǔ)器。本發(fā)明發(fā)展出一種創(chuàng)新性電阻式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，元件工藝簡(jiǎn)單且具實(shí)用性的方法，是利用電阻轉(zhuǎn)態(tài)層包含納米顆粒聚集體于其中，來(lái)達(dá)成單邊電阻轉(zhuǎn)態(tài)的電阻存儲(chǔ)器的功能，并同時(shí)顯著改善電阻轉(zhuǎn)態(tài)的穩(wěn)定性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種電阻式存儲(chǔ)器，包括一第一電極；一第二電極；以及一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層夾于此第一電極及此第二電極之間，其中此電阻轉(zhuǎn)態(tài)層包含一電阻層及一納米顆粒聚集體在此電阻層中，其中此納米顆粒聚集體包含鈷、氮化鈦、鈦、釩、鑰、鉻、鉬、鋁、鎳、銅或前述的組合。
本發(fā)明實(shí)施例所提供的電阻式存·儲(chǔ)器，通過(guò)在電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中形成納米顆粒聚集體，而可通過(guò)施予的不同大小單極性電壓時(shí)控制納米顆粒聚集體與其中一電極之間的導(dǎo)電路徑的形成或消失，而可控制電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的電阻狀態(tài)。并且，此電阻式存儲(chǔ)器的電阻狀態(tài)不會(huì)因電壓消失而改變，因而可作為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。同時(shí)，此電阻式存儲(chǔ)器具有元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作電壓小、轉(zhuǎn)態(tài)的限定電流穩(wěn)定、且耐用性佳的優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的單邊操作的電阻式存儲(chǔ)器更可適用于作為先進(jìn)技術(shù)所需的電阻式存儲(chǔ)器元件。


此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。在附圖中
圖1A及圖1B各自顯示依照本發(fā)明一實(shí)施例之電阻式存儲(chǔ)器于退火前與退火后之剖面示意圖。
圖2A至圖2C顯示依照本發(fā)明圖1B之電阻式存儲(chǔ)器之電阻轉(zhuǎn)態(tài)層之轉(zhuǎn)態(tài)機(jī)制模擬圖。
圖3A及圖3B，其各自顯示依照本發(fā)明一實(shí)施例之電阻式存儲(chǔ)器在經(jīng)退火后及退火前之穿透式電子顯微鏡圖。
圖4顯示依照本發(fā)明一實(shí)施例之電阻式存儲(chǔ)器之鈷金屬在退火前及退火后之光電子能譜(XPS)圖。
圖5A及圖5B各自顯示本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比實(shí)施例之電壓電流關(guān)系圖。
圖6顯示依照本發(fā)明一實(shí)施例之電阻式存儲(chǔ)器之在施予直流抹除及寫入電壓時(shí)之連續(xù)轉(zhuǎn)態(tài)，可達(dá)超過(guò)3500次以上循環(huán)次數(shù)之測(cè)試圖。


圖7顯示依照本發(fā)明一實(shí)施例之電阻式存儲(chǔ)器之在220°C下高溫耐久性測(cè)試圖。附圖標(biāo)號(hào)101 基板；102 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；104 第一電極；106 第一電阻層；108 金屬層；110 第二電阻層；112 第二電極；120 納米顆粒聚集體124 電阻轉(zhuǎn)態(tài)層；126 界面層；130 缺陷；132 導(dǎo)電路徑；150 形成電壓；152 抹除電壓；154 寫入電壓。
具體實(shí)施方式
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說(shuō)明如下。
參見(jiàn)圖1A及圖1B，其顯示依照本發(fā)明一實(shí)施例的電阻式存儲(chǔ)器在退火前與退火后的剖面圖。首先，如圖1A所示，形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)102于基材101上。此半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)102 可包含第一電阻層106及第二電阻層110夾設(shè)于第一電極104及第二電極112之間，及金屬層108夾設(shè)于第一電阻層106及第二電阻層110之間。此半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)102中的每一層均具有實(shí)質(zhì)上相同的長(zhǎng)度及寬度。
基材101可為任意的半導(dǎo)體基材，包含半導(dǎo)體基材上覆絕緣層，例如硅材上覆氧化娃。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)102的第一電極104可直接形成此基材101上。第一電極104可包含例如白金、金、銀、鶴以及氮化鈦等活性較低的金屬，其可由電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、 派鍍法等任意沉積方式形成。第一電極104的厚度可介于約IOnm至IOOOnm之間。
第一電阻層106可包含擇自下列金屬氧化物組成的族群氧化鋯、氧化鉿、氧化鈦、氧化鋁、氧化銅、氧化鎢及氧化鎳。在一實(shí)施例中，第一電阻層106中的金屬氧化物可為非晶相的金屬氧化物。第一電阻層106可由電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、濺鍍法等任意沉積方式形成，且其厚度可介于約2nm至50nm之間。
金屬層108可包含元素態(tài)的金屬，例如鈷、鈦、釩、鑰、鉻、鉬、鋁、鎳、銅或前述的組合?；蛘撸饘賹?08可包氮化鈦等導(dǎo)電化合物。金屬層108可由電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、濺鍍法、原子層氣相沉積法等沉積方法形成。在一實(shí)施例中，金屬層108的厚度可介于Inm至20nm之間,較佳者介于Inm至IOnm之間，以利于隨后因高溫工藝聚集后仍具有足夠小的尺寸。
第二電阻層110可與第一電阻層106由相同的材料或方法形成。例如，第二電阻層110可由非晶相的氧化鋯、氧化鉿、氧化鈦、氧化鋁、氧化銅、氧化鎢、氧化鎳或前述的組合形成。第二電阻層110的厚度可與第一電阻層106相同，也可較厚于第一電阻層106約 2倍 厚度以上。例如，第二電阻層110的厚度可介于5至IOOnm之間。值得注意的是，第一電阻層106及第二電阻層110的總厚度可大于金屬層108的厚度約1. 5倍，且較佳者可大于2倍以上。第二電極112可包含活性金屬，例如鈦、氮化鈦、鋁、與鎳或前述的組合，其可由電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、濺鍍法等任意沉積方式形成。第二電極112的厚度可介于約IOnm至IOOOnm之間。
接著，對(duì)圖1A所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)102作退火處理，形成如圖1B所示的電阻式存儲(chǔ)器。在一實(shí)施例中，此退火處理步驟可包含快速熱退火、雷射退火或前述的組合。退火溫度可介于約200°C至900°C。經(jīng)退火處理之后，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的金屬層可因高溫聚集，而趨向形成納米顆粒聚集體120，如圖1B所示。此納米顆粒聚集體120的厚度可較金屬層108厚， 例如，其厚度可介于2nm至20nm之間。形狀例如可為球體、橢圓球體、圓柱體或其他近似形狀。同時(shí)，原將分隔第一電阻層106及第二電阻層110的金屬層108已聚集成納米顆粒聚集體120，第一電阻層106及第二電阻層110之間已無(wú)明顯的分界。因此，第一電阻層106 及第二電阻層110可轉(zhuǎn)變?yōu)橐惑w的電阻層且與納米顆粒聚集體120構(gòu)成電阻式存儲(chǔ)器的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124。如圖1B所示，納米顆粒聚集體120可嵌入在電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中。值得注意的是， 此納米顆粒聚集體120須具有良好的電子導(dǎo)電性，因而退火處理步驟可在無(wú)氧環(huán)境(例如在氮?dú)饣蚨栊詺怏w之環(huán)境下)下進(jìn)行，以避免將納米顆粒聚集體120氧化。
在一實(shí)施例中，經(jīng)退火處理之后的第二活性電極112在其與電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124交界處，會(huì)形成一界面層126，其基本上是由第二電極112的氧化物所組成。由于電阻層124中的金屬氧化物的部分的氧與第二電極112形成界面層126。電阻層124與界面層126的交界處會(huì)具有少量的氧缺陷(亦即氧的空缺，參見(jiàn)圖2A)，這些缺陷可在被施予寫入電壓后趨于明顯，會(huì)在納米顆粒聚集體120及第二電極112之間形成低電阻的導(dǎo)電路徑。相同地，在納米顆粒聚集體120與第一電極104之間亦可在被施予寫入電壓后形成低電阻的導(dǎo)電路徑， 其與納米顆粒聚集體120及第二電極112之間形成串連，可使單邊極性的電阻層124的有效厚度降低而使其介電崩潰電壓降低。值得注意的是，僅有第二電極112與納米顆粒聚集體120之間的導(dǎo)電路徑可在被施予抹除電壓后消除，而在納米顆粒聚集體120與第一電極 104之間的導(dǎo)電路徑在操作中都是維持導(dǎo)通的。因此，本發(fā)明實(shí)施例所提供的電阻式存儲(chǔ)器是利用此第二電極112與納米顆粒聚集體120的可隨施予的電壓變化的導(dǎo)電路徑的形成與消除來(lái)達(dá)到記憶目的。由于此電阻式存儲(chǔ)器僅由單邊操作，例如僅需對(duì)第二電極施予電壓操作。因此，可減少操作過(guò)程中所產(chǎn)生的變異，并增加此電阻式存儲(chǔ)器的穩(wěn)定性，并可作為 IDlR電阻式存儲(chǔ)器。此外，此可隨施予的電壓變化的導(dǎo)電路徑固定在靠近第二電極112的位置，因而可大幅降低其寫入記憶態(tài)所需的電壓。
參見(jiàn)圖2A至圖2C，其顯示為依照本發(fā)明實(shí)施例的電阻式存儲(chǔ)器的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的轉(zhuǎn)態(tài)機(jī)制示意圖。在此轉(zhuǎn)態(tài)機(jī)制圖中，與圖1A及圖1B中的相同的元件以相同的元件符號(hào)表不。
參見(jiàn)圖2A，其顯示電阻式存儲(chǔ)器中的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的導(dǎo)電路徑的形成。在施予圖1B 所示的電阻式存儲(chǔ)器形成電壓150后，在電阻層124中，除了因退火所導(dǎo)致的存在于界面層126附近的缺陷(即氧缺陷)，在納米顆粒聚集體120附近亦具有缺陷，因而在第二電極 112與納米顆粒聚集體120之間由此缺陷所形成的導(dǎo)電路徑132，其可引導(dǎo)電流流向納米顆粒聚集體120。此時(shí)，電阻式存儲(chǔ)器的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124處于低電阻狀態(tài)。在一實(shí)施例中，此形成電壓150較大于隨后用于抹除及寫入數(shù)據(jù)的電壓152、154，且為最大不超過(guò)3(or-3)V 的直流負(fù)向偏壓。接著，參見(jiàn)圖2B，對(duì)此電阻式存儲(chǔ)器施予抹除電壓152，以使電阻轉(zhuǎn)態(tài)層 124由低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)態(tài)為高電阻狀態(tài)。由于電流所導(dǎo)致的高熱，使電阻層124中的金屬氧化物中的缺陷因金屬離子受熱重新進(jìn)行氧化還原而消失，進(jìn)而使納米顆粒聚集體120及第二電極122之間的導(dǎo)電路徑124消失，使電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124回到高電阻的狀態(tài)。抹除電壓152 可為介于-O. 6 -O. 9V之間的直流負(fù)向偏壓。此時(shí)，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124中的介于該第二電極 112及該納米顆粒聚集體120之間的區(qū)域的電阻值大于電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124中的介于該第一電極104及該納米顆粒聚集體120之間的區(qū)域的電阻值，且大于約10倍以上，更佳大于約100 倍以上。
接著，參見(jiàn)圖2C，對(duì)此電阻式存儲(chǔ)器施予寫入電壓154，以使電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124由高電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)態(tài)為低電阻狀態(tài)。在此寫入電壓154的施予下，缺陷再次形成于納米顆粒聚集體120的附近，因而在電阻層124中再次形成導(dǎo)電路徑在第二電極112及納米顆粒聚集體 120之間。數(shù)據(jù)可通過(guò)施予此寫入電壓產(chǎn)生的電流經(jīng)此低電阻的導(dǎo)電路徑寫入至電阻式存儲(chǔ)器中。寫入電壓154可為介于-1.1 -1. 6V之間的直流負(fù)向偏壓。此時(shí)，該電阻轉(zhuǎn)態(tài)層 124中的位于第二電極112及該納米顆粒聚集體120之間的區(qū)域的電阻值實(shí)質(zhì)上與該電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124中的介于該第一電極104及納米顆粒聚集體120之間的區(qū)域的電阻值相近。
如此，由上述可知，僅需重復(fù)進(jìn)行圖2B及圖2C的步驟，重復(fù)施予不同電壓，例如抹除電壓152及寫入電壓154，即可重復(fù)操作電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的轉(zhuǎn)態(tài)特性。在無(wú)外加電源供應(yīng)下， 高低電阻狀態(tài)皆能維持其記憶態(tài)，可應(yīng)用于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。例如，高電阻狀態(tài)相較于低電阻狀態(tài)的電阻值可達(dá)10倍以上。因此，本發(fā)明實(shí)施例所提供的電阻式存儲(chǔ)器可具有提供電阻值轉(zhuǎn)態(tài)的低電阻路徑，且此納米顆粒聚集體120使轉(zhuǎn)態(tài)區(qū)段轉(zhuǎn)變成兩個(gè)區(qū)段，藉此使得電阻轉(zhuǎn)態(tài)區(qū)域集中在電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124的納米顆粒聚集體120與第二電極112之間，因而穩(wěn)定降低單邊操作的電阻轉(zhuǎn)態(tài)電壓且穩(wěn)定轉(zhuǎn)態(tài)的轉(zhuǎn)態(tài)限定電流，此方法可大幅提高單邊操作時(shí)元件的電阻轉(zhuǎn)態(tài)操作次數(shù)及穩(wěn)定性。例如，此電阻式存儲(chǔ)器在連續(xù)操作3500次，甚至 5000次以上時(shí)，電阻轉(zhuǎn)態(tài)層124的高電阻狀態(tài)及低電阻狀態(tài)仍可維持10倍以上的鑒別度。
實(shí)施例1 :
在由二氧化硅薄膜覆蓋的硅基材上，以電子蒸鍍法形成20nm的鈦薄膜及80nm的白金薄膜。在溫度200°C、電漿功率密度2. 63W/cm2、工作壓力IOmTorr、氣體流量18sccm(氬氣氧氣)的條件下，以交流磁控濺鍍法形成IOnm第一層的非晶相二氧化鋯層于白金薄膜上。接著，以電子束蒸鍍法在工作壓力2xlO_6Torr、沉積速率O. 2 O. 3A/sec條件下沉積 7nm的鈷金屬層于二氧化鋯層上，再以如第一層的條件沉積IOnm第二層的非晶相二氧化鋯層于鈷金屬層上。最后，以電子蒸鍍法，成長(zhǎng)150nm的鈦金屬薄膜于第二層的非晶相二氧化鋯層上。接著，將上述疊層于600°C下進(jìn)行快速熱退火，隨后施與最大不超過(guò)3 (or-3) V的直流負(fù)向偏壓的形成電壓，以形成電阻式存儲(chǔ)器元件。
對(duì)比實(shí)施例1 :
如同實(shí)施例1的相同方式進(jìn)行，但未沉積鈷金屬層。參見(jiàn)圖3A及圖3B，其各自顯示實(shí)施例1的電阻式存儲(chǔ)器在經(jīng)退火后及退火前的穿透式電子顯微鏡(TEM)圖。如圖3B所示，在未經(jīng)退火之前，實(shí)施例1電阻式存儲(chǔ)器中的鈷金屬層(圖中所示的Co)仍為一約7nm 薄膜，完整地將兩層非晶相的二氧化鋯(圖中所示的ZrO2)分隔。在經(jīng)退火之后，如圖3A所示，鈷金屬層由原先的薄膜聚集成一厚度約IOnm的納米顆粒聚集體(圖中所示的Co)，且兩層非晶相的二氧化鋯(圖中所示的ZrO2)之間已無(wú)明顯分界。
參見(jiàn)圖4，其顯示實(shí)施例1的電阻式存儲(chǔ)器的鈷金屬在經(jīng)退火前及退火后的光電子能譜(XPS)圖。由圖中可知，無(wú)論是退火前或是退火后的鈷金屬，皆呈現(xiàn)出零價(jià)鈷的能階圖。因此，可得知就算是經(jīng)退火后的鈷金屬，其仍為零價(jià)的元素態(tài)，未被氧化。
參見(jiàn)圖5A及圖5B，各自顯示實(shí)施例1及對(duì)比實(shí)施例1的電壓電流關(guān)系圖。參見(jiàn)圖 5A,首先，對(duì)實(shí)施例1的電阻式存儲(chǔ)器施予一形成偏壓(如圖中箭頭4所示)，以在電阻式存儲(chǔ)器的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中形成導(dǎo)電路徑。接著，重新對(duì)電阻式存儲(chǔ)器施予電壓?？捎^察到的是， 元件電流會(huì)隨施予的電壓上升而上升(如圖中箭頭I所示)，但在約-O. 7V時(shí)，元件電流突然大幅下降，且元件電流可隨著施予的電壓變小而幾近消失(如圖中箭頭2所示)。因此， 可推測(cè)電阻轉(zhuǎn)態(tài)層此時(shí)已由低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)態(tài)成高電阻狀態(tài)。隨后，再施予逐漸增大的電壓， 電流亦隨電壓增加而增大，直至約-1.1V時(shí)，元件電流達(dá)到穩(wěn)定的限流值(約ImA)(如圖中箭頭3所示)。因此，可推測(cè)電阻轉(zhuǎn)態(tài)層此時(shí)已由高電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)態(tài)成低電阻狀態(tài)。因此，由圖5A可知，實(shí)施例1所提供的電阻式存儲(chǔ)器的電阻轉(zhuǎn)態(tài)層可隨電壓施予不同而進(jìn)行重復(fù)的高電阻狀態(tài)及低電阻狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
相較之下，參見(jiàn)圖5B，同樣對(duì)對(duì)比實(shí)施例1的存儲(chǔ)器元件施進(jìn)行如圖5A的同樣操作(如圖中箭頭1-4所示)。由圖中可知，在沒(méi)有納米顆粒聚集體的情況下，雖然在施予-O. 9V的電壓時(shí)，元件電流亦會(huì)大幅降低，代表電阻層從低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)態(tài)成高電阻狀態(tài)。 然而，隨后需對(duì)其施予約-2. 3V才能達(dá)到電流的限流值，且之后難以再施予抹除電壓使其回復(fù)到高電阻狀態(tài)。因此，使對(duì)比實(shí)施例1的存儲(chǔ)器元件雖然可由施予高電壓而使電阻層軟性崩潰，但在沒(méi)有鈷聚集體的情況下，需要較高電壓操作使其轉(zhuǎn)至低電阻態(tài)，如此破壞其元件結(jié)構(gòu)情況嚴(yán)重，使其難以回復(fù)至高電阻態(tài)并大幅降低操作次數(shù)。
圖6顯示實(shí)施例1的電阻式存儲(chǔ)器的在施予直流抹除及寫入電壓時(shí)的耐久度測(cè)試。此測(cè)試為在鈦電極上施予電壓，且另一側(cè)的白金電極予以接地，其中高電阻狀態(tài)(圖中以HRS表示)及低電阻狀態(tài)(圖中以LRS表示)皆在-O.1V的電壓下讀取其電流值。由圖6可看出，即便對(duì)實(shí)施例1的電阻式存儲(chǔ)器進(jìn)行超過(guò)3500次以上的連續(xù)轉(zhuǎn)態(tài)，高電阻狀態(tài)與低電阻狀態(tài)的電阻比仍超過(guò)10倍以上。圖7顯示將實(shí)施例1的電阻式存儲(chǔ)器在220°C下作高溫耐久性測(cè)試，并以-O.1V的電壓各別讀取高電阻狀態(tài)(圖中以HRS表示)及低電阻狀態(tài)(圖中以LRS表示)的電流值。由圖中可知，在連續(xù)讀取超過(guò)10000秒以上時(shí)，高電阻狀態(tài)及低電阻狀態(tài)仍可維持10倍以上的鑒別度，具有高穩(wěn)定性及耐久性。
因此，由上述可得知，本發(fā)明實(shí)施例所提供的電阻式存儲(chǔ)器，通過(guò)在電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中形成納米顆粒聚集體，而可通過(guò)施予的不同大小單極性電壓時(shí)控制納米顆粒聚集體與其中一電極之間的導(dǎo)電路徑的形成或消失，而可控制電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的電阻狀態(tài)。并且，此電阻式存儲(chǔ)器的電阻狀態(tài)不會(huì)因電壓消失而改變，因而可作為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。同時(shí)，此電阻式存儲(chǔ)器具有元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作電壓小、轉(zhuǎn)態(tài)的限定電流穩(wěn)定、且耐用性佳的優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的單邊操作的電阻式存儲(chǔ)器更可適用于作為先進(jìn)技術(shù)所需的電阻式存儲(chǔ)器元件。
雖然本發(fā)明已以數(shù)個(gè)較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作任意的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，包括 一第一電極; 一第二電極；以及 一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層夾于所述第一電極及所述第二電極之間，其中所述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層包含一電阻層及一納米顆粒聚集體于所述電阻層中，其中所述納米顆粒聚集體包含鈷、氮化鈦、鈦、鑰;、鑰、鉻、鉬、招、鎳、銅或前述的組合。
2.如權(quán)利要求1所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述電阻層為一非晶相材料，且所述非晶相材料擇自非晶相的氧化鋯、氧化鉿、氧化鈦、氧化鋁、氧化銅、氧化鎢、氧化鎳或前述的組合。
3.如權(quán)利要求1所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第一電極包含白金、金、銀、鎢、與氮化鈦或前述的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第二電極包含鈦、氮化鈦、鋁、鎳或前述的組合。
5.如權(quán)利要求1所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的厚度介于7 150nmo
6.如權(quán)利要求1所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述納米顆粒聚集體的尺寸介于I 20nmo
7.如權(quán)利要求1所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第二電極及所述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層之間更包含一界面層，其主要由所述第二電極的氧化物所組成。
8.如權(quán)利要求1所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述納米顆粒聚集體經(jīng)過(guò)200 900°C的退火處理。
9.如權(quán)利要求1所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述電阻式存儲(chǔ)器在被施予-O. 6 -O. 9V的抹除電壓時(shí)，所述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中的介于所述第二電極及所述納米顆粒聚集體之間的區(qū)域的電阻值高于所述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中的介于所述第一電極及所述納米顆粒聚集體之間的區(qū)域的電阻值。
10.如權(quán)利要求9所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的介于所述第二電極及所述納米顆粒聚集體之間的區(qū)域的電阻值大于所述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層的介于所述第一電極及所述納米顆粒聚集體之間的區(qū)域的電阻值10倍以上。
11.如權(quán)利要求1所述的電阻式存儲(chǔ)器，其特征在于，所述電阻式存儲(chǔ)器在被施予-1.1 -1. 6V的寫入電壓時(shí)，所述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中的位于所述第二電極及所述納米顆粒聚集體之間的區(qū)域的電阻值與所述電阻轉(zhuǎn)態(tài)層中的介于所述第一電極及所述納米顆粒聚集體之間的區(qū)域的電阻值相近。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電阻式存儲(chǔ)器，包括一第一電極；一第二電極；以及一電阻轉(zhuǎn)態(tài)層夾于此第一電極及此第二電極之間，其中此電阻轉(zhuǎn)態(tài)層包含一電阻層及一納米顆粒聚集體于此電阻層中，其中此納米顆粒聚集體包含鈷、氮化鈦、鈦、釩、鉬、鉻、鉑、鋁、鎳、銅或前述的組合。本發(fā)明實(shí)施例的電阻式存儲(chǔ)器，其電阻狀態(tài)不會(huì)因電壓消失而改變，因而可作為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。同時(shí)，此電阻式存儲(chǔ)器具有元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作電壓小、轉(zhuǎn)態(tài)的限定電流穩(wěn)定、且耐用性佳的優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的單邊操作的電阻式存儲(chǔ)器更可適用于作為先進(jìn)技術(shù)所需的電阻式存儲(chǔ)器元件。
文檔編號(hào)H01L45/00GK103022346SQ201110294140
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者曾俊元, 吳明锜, 吳宗翰 申請(qǐng)人:華邦電子股份有限公司