一种电阻转换存储器单元制造技术

本发明专利技术涉及一种电阻转换存储器单元，包括两金属电极以及处于电极对中间的金属，采用电信号对存储单元进行操作，器件单元在电信号的操作下可实现可逆的高电阻与低电阻之间的可逆转变，从而实现数据存储功能。或者，电极与金属层之间也可以包括一层过渡层，经过合理的预处理，使电极（或者过渡层）与金属层之间的界面发生扩散，电极（或者过渡层）与金属层之间相互的扩散效应改变了界面附近材料的组份，而特定的组份能够在电信号的作用下实现电阻的可逆转变，从而实现数据的存储。该种存储器具有较快的速度和较低的功耗，数据保持能力优良，是一种理想的存储器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体存储器的相关领域，具体地说是一种电阻转换存储器单元。
技术介绍
非易失性半导体存储器在信息技术中占据了重要的地位，其销售额逐年增长，其应用在 消费电子中更是无处不在，具有广阔的市场。目前，最常用的非易失性半导体存储器是闪存， 而其他原理的新型存储器也不断涌现，随着闪存在32nm技术节点以下遇到技术瓶颈，新型半导体存储器将在不久的将来部分或者大幅取代闪存。例如，相变存储器，铁电存储器，RRAM (电阻随机存储)等，其中，相变存储器更被认为是下一代非易失存储器最有希望的候选， 具有潜在的巨大的市场价值。相变存储器的原理是基于相变材料相变导致的电阻的转变，而RRAM的原理则是基于金属 氧化物在电信号作用下的电阻转变，尽管上述两种存储器的原理都是基于各种材料的电阻的 大幅转变，但是目前，还没有在金属中发现电阻的大幅度的转变。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供了一种储存介质为金属的电阻转换存储器单元，使得存储器获得较 大的高、低电阻差异以及较好的数据保持能力。 为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案本专利技术公开了一种电阻转换存储器单元，存储器单元中的存储介质是金属，金属处于一 对电极中间，电极的尺寸和形状可以相同，也可以不同。存储器操作时，通过电信号的操作， 使存储器单元在高电阻和低电阻之间实现可逆的电阻转换，从而实现数据的存储功能。从而利用器件不同的电阻状态实现数据的存储，在数据存储中，可为双级存储，也可为多级存储。 上述的电阻转换存储器单元中的存储介质是金属，同时，也应该包括对上述金属进行的适量 掺杂，掺杂原子的原子百分比少于百分之十，掺杂材料种类可以是为氮、氧、钛、钨、硅、 锗、钽、铝、银、金、锡、镍、铟、氧化物、氮化物中的一种或几种的组合。或者，电极与金属层之间也可以包括一层过渡层，经过合理的预处理，使电极(或者过 渡层)与金属层之间的界面发生扩散，电极(或者过渡层)与金属层之间相互的扩散效应改 变了界面附近材料的组份，而特定的组份能够在电信号的作用下实现电阻的可逆转变，从而实现数据的存储。所述过渡层材料可以是钛、钨、硅、锗、钽、铝、银、金、锡、镍、铟、 氧化物、氮化物中的一种或几种的组合。作为优选方案所述的存储介质为锑金属。本专利技术优点在于具有较大的高、低电阻差异以及较好的数据保持能力，且具有较快的 速度和较低的功耗。附图说明图1A其中一种结构的存储器俯视结构示意图，图1B截面示意图，两图都是非等比例绘制。图2A基于图1器件单元的低阻到高阻的操作过程，图2B图为高电阻器件单元的I-V曲线。图3另一种结构的存储器截面结构图，非等比例绘制。图4A基于上述器件单元的低阻到高阻的操作过程，B图为高电阻器件单元的I-V曲线。 图5上述器件的数据保持能力测试。图6A锑金属经过百分之二原子比的钨掺杂得到的材料的电阻随温度的变化(升温以及降 温过程)，图6B锑金属经过百分之一原子比的钛掺杂得到材料组份的电阻随温度的变化曲线。图7A电极与金属层界面的放大示意图，图7B在界面经过扩散处理后，形成了一薄层， 非等比例绘制。具体实施例方式以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述。 实施例1:一种基于金属存储介质的电阻转换存储器单元件，如图1A所示的其中一类结构的器件俯 视图，图中虚线所示部分经放大后的截面图如图1B所示。在此案例中，以锑金属作为存储介 质为例说明。图1中，存储金属材料锑13与电极11的接触区域长度为50微米(即图的垂直 方向)，12为介质材料氧化硅，14为硅基底。在图1B中，两电极之间的空隙宽度为20微米。 将上述结构的器件的电胆值通过电信号编程设定到低电阻后，采用脉冲宽度为50ns的电压脉 冲对器件单元进行编程，得到如图2A所示的典型的从低阻到高阻的编程曲线，由图可见，器 件经过施加较低的电压就能够将器件设定到较高的电阻态；对高阻态的器件进行直流V-1的扫描，得到的V-1曲线如图2B所示，从图看到，器件仅需要较低的电流和电压就能够实现从 高阻态到低阻态的转变。 实施例2:在另外一种结构中，也以锑金属为例，器件截面图如图3所示，图中15为氧化硅绝缘过 渡层，16为钨电极，17为金属锑层，18为TiN上电极。图中采用的钨电极的直径为250nm 左右，锑金属的厚度为150nm， TiN的厚度为30nm。将上述结构的器件的电阻值设定到低电阻 时，采用脉冲宽度为50ns的电压脉冲对器件进行编程，得到如图4A所示的典型的曲线，可 见，器件单元经过施加较低电压的操作就能够将器件设定到较高的电阻态；对高阻态的器件 进行直流V-I的扫描，曲线如图4B所示，从图看到，器件仅需要较低的电流和电压就能够实 现从高阻态到低阻态的转变。为了表征该器件的高温下的数据保持能力，将器件在160度的 高温下进行烘烤，同时对器件进行电阻的读取，如图5所示为得到的器件电阻随烘烤时间的 变化，可见，器件的高阻状态在较长时间的烘烤后依然处于高阻态，故，具有较好的数据保 持能力，可以作为非易失性存储器的候选。图6A和6B所示，分别为对金属锑进行微量金属掺杂后得到材料组份的电阻随温度的变化曲线，由此可见，即使在金属锑中掺杂少量的具有较高导电率的金属材料，都能够使掺杂 后的材料具有电阻转换的能力，具备在电阻转换存储器单元中应用的价值。实施例3:采用实施例1或实施例2的结构，再通过扩散处理，在金属与电极(或者过渡层)的界 面附近形成因为扩散形成的薄层，薄层显然是金属材料与电极(或者过渡层)材料中各原子 的混合物。下面以有过渡层的结构为例。如图7所示，在金属Sb层19和电极W20之间拥有Ti过渡层21，通过扩散就形成了层 22的薄层，薄层是Sb被来自扩散的Ti原子掺杂而成。通过图6所示的结果，经过适当扩散 后的特定的材料经过扩散处理后，能够在金属材料与电极(或者过渡层)的界面形成具有电 阻转换能力的材料层，从而能够用作数据存储。利用图7的原理，通过扩散处理，在存储单 元中的过渡层与金属层的界面处形成具有电阻转换能力的薄层，就能够实现数据存储。权利要求1、一种电阻转换存储器单元，包括一对电极以及设置于电极之间的储存介质，其特征在于所述的储存介质为在电信号作用下具有电阻转换能力的金属。2、 按权利要求1所述的一种电阻转换存储器单元，其特征在于所述的电极与金属储存介 质之间设有过渡层。3、 按权利要求1所述的一种电阻转换存储器单元，其特征在于所述的电极与金属储存介 质间的交界面经扩散处理形成合金薄层，形成的合金薄层在电信号作用下具有电阻转换能力。4、 按权利要求2所述的一种电阻转换存储器单元，其特征在于所述的过渡层与金属储存 介质间的交界面经扩散处理形成薄层，形成的薄层在电信号作用下具有电阻转换能力。5、 按权利要求2或4中任一项所述的一种电阻转换存储器单元，其特征在于所述的过渡 层材料为钛、钨、硅、锗、钽、铝、银、金、锡、镍、铟、氧化物、氮化物中的一种或几种 的组合。6、 按权利要求1一4中任一项所述的一种电阻转换存储器单元，其特征在于所述的金属储 存介质内含有掺杂原子，掺杂原子的原子百分比少于百分之十，掺杂材料种类为氮、氧、钛、 钨、硅、锗、钽、铝、银、金、锡、镍、铟、氧化物、氮化物中的一种或几种的组合。7、 按权利要求1一4中任一项本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电阻转换存储器单元，包括一对电极以及设置于电极之间的储存介质，其特征在于：所述的储存介质为在电信号作用下具有电阻转换能力的金属。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张挺，宋志棠，刘波，封松林，陈邦明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]