[發明專利]單極編程的電阻存儲器及其存儲操作方法

無效

• 申請號: 200710045934.7
• 申請日: 2007-09-13
• 公開（公告）號: CN101692348A
• 公開（公告）日: 2010-04-07
• 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;G11C16/06;G11C16/10;H01L27/24;H01L23/522
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種低功耗的單極編程的電阻存儲器及其操作方法。

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。但是由于串擾(CROSS?TALK)、以及隧穿層不能隨技術代發展無限制減薄、與嵌入式系統集成等FLASH發展的瓶頸問題，迫使人們尋找性能更為優越的新型不揮發存儲器。最近電阻隨機存儲器(Resistive?Random?Access?Memory，簡稱為RRAM)因為其高密度、低成本、有很強的隨技術代發展能力等特點引起高度關注，所使用的材料有相變材料、摻雜的SrZrO₃、鐵電材料PbZrTiO₃、鐵磁材料Pr_1-xCa_xMnO₃、二元金屬氧化物材料^[1]、有機材料等。其中一些二元金屬氧化物(如銅的氧化物^[2]、鎢的氧化物、鈦的氧化物、鎳的氧化物、鋁的氧化物等)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是已被報道的電阻轉換存儲單元的I-V特性曲線的示意圖^[2]，它具有能夠單極編程的特點。圖1所示曲線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和由低阻向高阻轉換的過程，它具有正向單極編程的特點，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(set操作)，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向正向向逐漸增大到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(reset操作)。同樣，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，它具有負向單極編程的特點。在同向的電信號作用下，此器件可在高阻和低阻間可逆轉換，從而達到信號存儲的作用。

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^[3]有600次左右。

目前報道的二元金屬氧化物電阻轉換存儲器主要采用四種結構：第一種為傳統的一個選通器件加一個存儲電阻(1T1R)的結構^[4]，第二種為交叉陣列(cross-point)結構^[3]，第三種為一個選通器件加兩個以上存儲電阻(1TXR)的結構^[5]。第四種為一個二極管加一個存儲電阻(1D1R)的交叉陣列結構^[6]。

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201和一個選通器件100，存儲電阻201與選通器件100的一端103直接連接，圖b中TE和BE分別代表存儲電阻201的上電極和下電極。在示意圖中選通器件31采用MOSFET(金屬氧化物場效應晶體管)器件，存儲電阻201的另一端102與位線BL相連接，選通器件100通過控制端101與字線WL連接。位線BL與字線WL共同作用就選中交叉處的單個存儲電阻201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，消耗硅片面積大。而且1個選通器件只能控制一個存儲電阻，存儲密度受限制。