CN101159314A - 一种电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法 - Google Patents
一种电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101159314A CN101159314A CNA2007101765477A CN200710176547A CN101159314A CN 101159314 A CN101159314 A CN 101159314A CN A2007101765477 A CNA2007101765477 A CN A2007101765477A CN 200710176547 A CN200710176547 A CN 200710176547A CN 101159314 A CN101159314 A CN 101159314A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sull
- memory
- random access
- memory cell
- ceria
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
本发明提供一种电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法，属非挥发性存储器件技术领域。该存储单元包括衬底和位于衬底之上的电阻器，该电阻器由底电极、顶电极和二者之间的绝缘体构成，所述绝缘体为纯的或掺杂其它金属元素的二氧化铈氧化物薄膜。其制备方法是采用溶胶－凝胶旋涂法、化学气相淀积、溅射等各种薄膜制备方法结合退火工艺，首先在衬底上制备导电薄膜作为底电极，再在其上制备纯的或掺杂的二氧化铈氧化物薄膜，最后在氧化物薄膜上制作导电的顶电极，形成了一具有优异稳态电阻转变和记忆特性的电阻式随机存储器的存储单元。
Description
技术领域
本发明涉及非挥发性存储器件技术领域，尤其涉及一种基于二氧化铈具有优异的稳态电阻转变和记忆特性的电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法。
背景技术
非挥发性存储器具有在无电源供应时仍能保持数据信息的优点，在信息存储领域具有非常重要的地位，也是当前信息存储技术的研究热点之一。然而，当今的主流非挥发存储器——闪存(flash)存在操作电压高、速度慢、耐久力差等问题。电阻式随机存储器RRAM(Resistance Random Access Memory)已经表现出工作速度快、存储密度高、数据保持时间长、耐久力强等优点，是下一代半导体存储器强有力的候选者。RRAM的基本存储单元包括一个金属-绝缘体-金属(MIM)结构电阻器。借由电压或电流脉冲，可以使MIM结构的电阻在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除。RRAM工作的关键是某些材料的电阻转变和记忆效应，在电压或电流作用下这些材料的电阻可以发生可逆的、巨大的改变。
许多种氧化物半导体薄膜，比如TiO2，NiO和CuxO等已经表现出了电阻转变和记忆特性，但离实际应用还有很大的距离。对于实际的电阻式存储器件应用来说，减小开启电压(Set-V)和恢复电压(reset-V)，扩大开启电压和恢复电压之间的窗口，提高高低电阻态的阻值差异以及增强可靠性等是非常必要的。目前，RRAM的基本存储单元如何具有优异的稳态电阻转变和记忆特性是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异的稳态电阻转变和记忆特性的电阻式随机存储单元及其制备方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：
一种电阻式随机存储器的存储单元，包括衬底和位于衬底之上的电阻器， 该电阻器由底电极、顶电极和二者之间的绝缘体构成，所述绝缘体为纯的或掺杂其它金属元素的二氧化铈(CeO2)氧化物薄膜。
上述纯的或掺杂的二氧化铈氧化物薄膜的厚度一般为5nm～100nm。所掺杂的元素可以为稀土元素中的三价金属元素，比如钆(Gd)、钇(Y)，以及过渡金属元素中的三价元素，比如铬(Cr)、钴(Co)或铝(Al)。掺杂元素与Ce的原子比x范围为0＜x≤0.2。
底电极和顶电极是由导电材料制备的薄膜，所用导电材料可以是金属材料，比如铂/钛(Pt/Ti)，金/钛(Au/Ti)、钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、铪(Hf)、镍(Ni)、铱(Ir)、钌(Ru)，或它们的导电氮化物如TiN、TaN、HfN，或导电硅化物如NiSi，或导电氧化物如IrO2、RuO2等。
上述电阻式随机存储器的存储单元的制备方法，包括以下步骤：
1)在绝缘衬底上制备导电材料薄膜作为底电极；
2)在底电极上制备纯的或掺杂其它金属元素的二氧化铈(CeO2)氧化物薄膜；
3)在氧化物薄膜上制备另一导电材料薄膜作为顶电极。
上述步骤1)可以利用热氧化和化学气相沉积(CVD)的方法将SiO2隔离介质层生长在单晶Si上，作为绝缘衬底，也可以采用任何具有绝缘性质的衬底。
上述步骤1)和步骤3)利用溅射、MOCVD(金属有机物化学气相沉积)、ALD(原子层沉积)等各种的方法制备导电薄膜。
上述步骤2)氧化物薄膜的制备方法可以为溅射、MOCVD、ALD、溶胶-凝胶旋涂法、脉冲激光淀积法等薄膜制备方法。在400℃以下的低温条件下制备的氧化物薄膜需要进行退火处理，具体条件为：温度范围为400-900℃，气氛为含氧气气氛，时间为30秒至60分钟。但在高温条件(400-900℃)下制备的氧化物薄膜也可以不作退火处理。
本发明的优点和技术效果：
本发明电阻式随机存储器的存储单元采用掺杂金属元素或不掺杂的二氧化铈(CeO2)氧化物薄膜作为绝缘体，在电压连续扫描激励下表现出优异的高低电阻态之间的转变和记忆特性，其高低电阻态间的差值可大于10倍，其高阻态向低阻态转变和低阻态向高阻态的工作电压小于±3V。在脉冲激励下也表现出应用的潜力，从高阻态转低阻态的时间小于100ns，低阻转高阻的时间小于10μs。这些特性表明本发明在非挥发性存储器件领域具有潜在的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细地说明：
图1是本发明电阻式随机存储器的存储单元结构示意图。其中：
1-顶电极 2——CeO2氧化物薄膜 3——底电极
4——SiO2隔离介质层 5——单晶硅
图2是本发明实施例1的电阻式随机存储器中纯CeO2材料薄膜的XRD图。
图3是本发明实施例1的电阻式随机存储器的电流-电压特性测试结果图。
图4a是本发明实施例1的电阻式随机存储器在开启电压脉冲下的电流响应图，其中上图示意了所加的脉冲电压，下图是对应的响应电流；
图4b是本发明实施例1的电阻式随机存储器在恢复电压脉冲下的电流响应图，其中上图示意了所加的脉冲电压，下图是对应的响应电流。
图5是是本发明实施例2的电阻式随机存储器的电流-电压特性测试结果图。
具体实施方式
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
实施例1
参考图1，利用热氧化和化学气相沉积(CVD)的方法将SiO2隔离介质层4生长在单晶硅5上，作为衬底，利用溅射法制备Pt/Ti(1000nm/20nm)作为底电极3，再利用脉冲激光淀积法在底电极上制备40nm CeO2薄膜2，激光能量300mj/cm2，通氧气30ml/min，温度450℃，然后在450℃，0.5atm下退火20min。利用X射线衍射法(XRD)测定薄膜的结构，发现CeO2薄膜呈现出萤石相多晶CeO2结构(图2)。最后，利用溅射法在CeO2薄膜上制作厚度为100nm，直径为100μm的圆形Al顶电极1，获得基于二氧化铈材料的电阻式随机存储器。
利用Agilent 4156C半导体参数分析测试仪测试了上述器件的电流-电压特性。在电压连续扫描模式下测试其电流-电压特性，扫描偏压加在两个测试探针上，两个测试探针分别连接器件的顶电极和底电极。电流-电压特性测试结果见图3。电压初次从0V开始扫描时，该薄膜表现出高阻特性，当电压高于0.5V(开启电压)时薄膜突然转变为低阻态，并伴随自限流，即转变过程不需要机器限制最大电流而自动停止的现象。当电压重新从0V反向扫描至-1.5V(恢复电压)时，薄膜由低阻态恢复到了高阻态。该高低电阻态的转变过程可以重复进行。图2中示出了10次高低电阻态的转变曲线。薄膜高低态电阻转变的开启电压为0.5±0.1V，恢复电压为-1.5±0.1V。
利用Agilent 33250A高速信号源和Agilent 54622D示波器测试了器件的脉冲响应。脉冲电压通过电阻网络加在两个测试探针上，两个测试探针分别连接器件的顶电极和底电极，用示波器的通道1监视随机存储器的电流，用通道2监视随机存储器件上的电压。从高阻到低阻转变所加脉宽为100ns，脉冲电压为3V，在脉冲前后各有一个0.5V的读取脉冲检测器件电阻状态。从低阻向高阻转变所加脉宽为10μs，脉冲电压为2.5V，在脉冲前后各有一个0.5V的读取脉冲检测器件电阻状态。测试结果见图4a和图4b。
实施例2
如实施例1制作衬底、底电极和顶电极，脉冲激光淀积的靶采用5％Al掺杂的氧化铈靶，其余条件与实施例1相同。参考图5，利用Agilent 4156C半导体参数分析测试仪测试了器件的电流-电压特性。电压初次从0V开始扫描时，该薄膜表现出高阻特性，当电压高于2.3V(开启电压)时薄膜突然转变为低阻态，同样伴随自限流。当电压重新从0V反向扫描至-2.5V(恢复电压)时，薄膜由低阻态恢复到了高阻态。与实例1相比，掺杂Al的器件开启和恢复电压明显增大，但电流明显减小，最大操作电流从40毫安下降到1毫安。这表明掺杂器件具有应用于低功耗集成电路的潜力。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (10)
1.一种电阻式随机存储器的存储单元，包括衬底和位于衬底之上电阻器，该电阻器由底电极、顶电极和二者之间的绝缘体构成，其特征在于：所述绝缘体为纯的或掺杂其它金属元素的二氧化铈氧化物薄膜。
2.如权利要求1所述的电阻式随机存储器的存储单元，其特征在于：所述二氧化铈氧化物薄膜厚度为5nm～100nm。
3.如权利要求1所述的电阻式随机存储器的存储单元，其特征在于：在二氧化铈氧化物薄膜中掺杂的金属元素选自稀土元素中的三价金属元素和过渡金属元素中的三价元素。
4.如权利要求3所述的电阻式随机存储器的存储单元，其特征在于：所述掺杂的金属元素选自：钆、钇、铬、钴和铝。
5.如权利要求1所述的电阻式随机存储器的存储单元，其特征在于：在二氧化铈氧化物薄膜中掺杂的金属元素与铈的原子比x范围为0＜x≤0.2。
6.如权利要求1所述的电阻式随机存储器的存储单元，其特征在于：所述底电极和顶电极是由导电材料制备的薄膜，所述导电材料为金属、或导电的金属氮化物、或导电的金属氧化物、或导电的金属硅化物。
7.权利要求1～6中任一权利要求所述的电阻式随机存储器的存储单元的制备方法，包括以下步骤：
1)在绝缘衬底上制备导电薄膜作为底电极；
2)在底电极上制备纯的或掺杂其它金属元素的二氧化铈氧化物薄膜；
3)在氧化物薄膜上制备另一导电薄膜作为顶电极。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤1)中，利用热氧化和化学气相沉积的方法将二氧化硅隔离介质层生长在单晶硅上，作为绝缘衬底。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤1)和3)中，利用溅射、金属有机物化学气相沉积或原子层沉积方法制备导电薄膜；所述步骤2)中利用溅射、金属有机物化学气相沉积、原子层沉积、溶胶-凝胶旋涂法或脉冲激光淀积的方法制备二氧化铈或掺杂其它金属元素的二氧化铈氧化物薄膜。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤2)和3)之间对氧化物薄膜进行退火处理，退火温度为400-900℃，时间为30秒～60分钟，气氛为含氧气氛。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2007101765477A CN101159314A (zh) | 2007-10-30 | 2007-10-30 | 一种电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2007101765477A CN101159314A (zh) | 2007-10-30 | 2007-10-30 | 一种电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101159314A true CN101159314A (zh) | 2008-04-09 |
Family
ID=39307302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNA2007101765477A Pending CN101159314A (zh) | 2007-10-30 | 2007-10-30 | 一种电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101159314A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101847688A (zh) * | 2010-04-29 | 2010-09-29 | 北京大学 | 一种减小阻变存储器阻值离散性的方法 |
| CN102130297A (zh) * | 2010-12-17 | 2011-07-20 | 天津理工大学 | 基于p/n型氧化物叠层结构的阻变存储器及其制备方法 |
| CN102260846A (zh) * | 2011-07-22 | 2011-11-30 | 复旦大学 | 一种多晶二氧化锡阻变薄膜及其制备方法和应用 |
| US9214626B2 (en) | 2012-03-14 | 2015-12-15 | Tokyo Institute Of Technology | Resistance change memory device |
| US10529921B2 (en) | 2015-06-05 | 2020-01-07 | Australian Advanced Materials Pty Ltd | Memory structure for use in resistive random access memory devices and method for use in manufacturing a data storage device |
| CN113113538A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-13 | 湖北大学 | 一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法 |
-
2007
- 2007-10-30 CN CNA2007101765477A patent/CN101159314A/zh active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101847688A (zh) * | 2010-04-29 | 2010-09-29 | 北京大学 | 一种减小阻变存储器阻值离散性的方法 |
| CN101847688B (zh) * | 2010-04-29 | 2012-07-04 | 北京大学 | 一种减小阻变存储器阻值离散性的方法 |
| CN102130297A (zh) * | 2010-12-17 | 2011-07-20 | 天津理工大学 | 基于p/n型氧化物叠层结构的阻变存储器及其制备方法 |
| CN102130297B (zh) * | 2010-12-17 | 2013-07-10 | 天津理工大学 | 基于p/n型氧化物叠层结构的阻变存储器及其制备方法 |
| CN102260846A (zh) * | 2011-07-22 | 2011-11-30 | 复旦大学 | 一种多晶二氧化锡阻变薄膜及其制备方法和应用 |
| US9214626B2 (en) | 2012-03-14 | 2015-12-15 | Tokyo Institute Of Technology | Resistance change memory device |
| US10529921B2 (en) | 2015-06-05 | 2020-01-07 | Australian Advanced Materials Pty Ltd | Memory structure for use in resistive random access memory devices and method for use in manufacturing a data storage device |
| CN113113538A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-13 | 湖北大学 | 一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法 |
| CN113113538B (zh) * | 2021-04-13 | 2024-02-02 | 湖北大学 | 一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Munjal et al. | Advances in resistive switching based memory devices | |
| JP4365737B2 (ja) | 可変抵抗素子の駆動方法及び記憶装置 | |
| KR100962221B1 (ko) | 스위칭 소자 | |
| TWI255035B (en) | Nonvolatile semiconductor memory device | |
| CN101212019A (zh) | 一种电阻式随机存取存储器的存储单元及其制备方法 | |
| CN102751437B (zh) | 一种免电激活的阻变存储器及其制备方法 | |
| CN101159314A (zh) | 一种电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法 | |
| JP2008235427A (ja) | 可変抵抗素子及びその製造方法、並びにその駆動方法 | |
| CN101159309A (zh) | 一种低功耗电阻存储器的实现方法 | |
| CN102005536A (zh) | 一种改进的NiO基电阻式随机存储器及其制备方法 | |
| Yan et al. | Unipolar resistive switching effect in YMn1− δO3 thin films | |
| CN102148328B (zh) | 一种氧化物电阻存储器件及其制备方法 | |
| JP4939414B2 (ja) | 可変抵抗素子 | |
| CN104518083B (zh) | 一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法 | |
| CN101162759A (zh) | 氮化钛/氧化锌电阻式随机存储器的存储单元及制备方法 | |
| JP2007157941A (ja) | 記憶素子及び記憶装置 | |
| CN101101960A (zh) | 一种可降低复位操作电流的电阻存储器 | |
| CN102723434B (zh) | 一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法 | |
| CN102130297B (zh) | 基于p/n型氧化物叠层结构的阻变存储器及其制备方法 | |
| CN105024011B (zh) | 电阻式随机存取存储器及其制造方法 | |
| CN101800282B (zh) | 一种钛锡酸锶薄膜的用途 | |
| Zhou et al. | Study of the resistive switching characteristics and mechanisms of Pt/CeOx/TiN structure for RRAM applications | |
| CN101969100A (zh) | 一种非易失性阻变存储器及其制备方法 | |
| CN101599531B (zh) | 一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法 | |
| Park et al. | Impedance spectroscopy characterization in bipolar Ta/MnO x/Pt resistive switching thin films |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |