[發明專利]一種高密度電阻轉換存儲器及其存儲操作方法

有效

• 申請號: 200710045933.2
• 申請日: 2007-09-13
• 公開（公告）號: CN101425333A
• 公開（公告）日: 2009-05-06
• 發明（設計）人: 林殷茵;陳邦明
• 申請（專利權）人: 林殷茵;陳邦明
• 主分類號: G11C11/56
• 分類號: G11C11/56;G11C16/02;G11C16/10;H01L27/24;H01L23/522
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司
• 代理人: 陸 飛;盛志范

技術領域

本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種電阻轉換存儲器及對這種存儲器進行存 儲操作的方法。

背景技術

存儲器在半導體市場中占有重要的地位，由于便攜式電子設備的不斷普及，不揮發 存儲器在整個存儲器市場中的份額也越來越大，其中90％以上的份額被FLASH占據。但 是由于存儲電荷的要求，FLASH不能隨技術代發展無限制拓展，有報道預測FLASH技術 的極限在32nm左右，這就迫使人們尋找性能更為優越的下一代不揮發存儲器。最近電阻 轉換存儲器(resistive?switching?memory)因為其高密度、低成本、可突破技術代發展限制 的特點引起高度關注，所使用的材料有相變材料^[1]、摻雜的SrZrO₃^[2]、鐵電材料PbZrTiO₃^[3]、 鐵磁材料Pr_1-xCa_xMnO₃^[4]、二元金屬氧化物材料^[5]、有機材料^[6]等。二元金屬氧化物(如 Nb₂O₅，Al₂O₃，Ta₂O₅，Ti_xO，Ni_xO^[5]，Cu_xO^[7]等)由于在組份精確控制、與集成電路工藝兼容性 及成本方面的潛在優勢格外受關注。

圖1是已被報道的電阻存儲單元的I-V特性曲線的示意圖^[7]，(a)是采用極性不同的電 壓進行高阻和低阻間的轉換的，曲線101表示起始態為高阻的IV曲線，電壓掃描方向如 箭頭所示，當電壓從0開始向正向逐漸增大到V_T1時，電流會突然迅速增大，表明存儲電 阻從高阻突變成低阻狀態，示意圖中電流增大不是無限制的，而是受回路中電流限制元件 的約束，到達最大值(以下稱為鉗制值)后不再隨電壓增加而增加。曲線100表示起始態 為低阻的狀態，當電壓由0向負向逐漸增大到V_T2時，電流會突然迅速減小，表明存儲電 阻從低阻突變成高阻狀態。高阻和低阻分別代表不同的數據狀態，這種改變是多次可逆的， 由此可實現數據存儲。(b)是采用極性相同的電壓來進行高阻和低阻轉換的情形，曲線101 和100分別表示采用正向電壓使存儲電阻由高阻向低阻轉換(稱為置位操作)和由低阻向 高阻轉換(稱為復位操作)的過程，而201和200分別表示采用負向電壓使存儲電阻由高 阻向低阻轉換和由低阻向高阻轉換的過程。

圖2是目前報道對Cu_xO電阻進行讀寫操作時施加電壓的方式。對Cu_xO電阻進行置位 操和復位操作時施加一個脈寬為300ns的單脈沖，這樣測得Cu_xO電阻在高阻或電阻間來 回轉換的次數(以下稱為可擦寫次數)的結果^[7]有600次左右.。

目前報道的二元金屬氧化物存儲器主要采用兩種結構^[5][7]：一種為傳統的一個選通器 件加一個存儲電阻(1T1R)的結構，另一種為交叉陣列(cross-point)結構。

圖3(a)(b)分別示出了傳統的1T1R存儲單元的電路結構圖和物理結構剖面示意圖。每 個存儲單元110中有一個存儲電阻200和一個選通器件100，存儲電阻200與選通器件100 的一端102直接連接，圖b中TE和BE分別代表電阻200的上電極和下電極。在示意圖 中選通器件100采用MOSFET(金屬氧化物場效應晶體管)器件，200的另一端與位線(簡 寫為BL)102相連。位線102與字線101共同作用就選中交叉處的單個電阻200進行存儲 操作。選通器件100使得電信號只對耦合在字線一位線交叉對之間的單個電阻進行操作， 而不會對其它的存儲單元產生串擾。這種結構的特點是不同存儲單元之間，在存儲操作中 的相互干擾小，但是選通器件必須制作在硅片襯底上，占用硅片面積。而1個選通器件只 能控制一個存儲電阻。