[發明專利]一種低功耗電阻存儲器的實現方法

無效

• 申請號: 200710047973.0
• 申請日: 2007-11-08
• 公開（公告）號: CN101159309A
• 公開（公告）日: 2008-04-09
• 發明（設計）人: 林殷茵;陳邦明;尹明;唐立;呂杭炳
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24;G11C11/56
• 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

本發明屬微電子技術領域，具體涉及一種低功耗電阻存儲器的實現方法。

背景技術

存儲器在半導體市場中占有著重要的地位。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?RandomAccess?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是電阻存儲單元的I-V特性曲線的示意圖^[2]，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，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，電流達到最大值，此后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。在電信號作用下，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。通常稱從高阻轉換為低阻的操作為置位(set)操作，從低阻轉換為高阻的為復位(reset)操作。

圖2是已報道的傳統的電阻存儲單元結構圖^[2]。其中21是金屬下電極，23是電阻存儲薄膜，25是金屬上電極，三者共同組成存儲單元10，可以看到，它采用了金屬電極-電阻存儲薄膜一金屬電極(MIM)的三明治結構。

圖3是一種Al/CuxO/Cu結構電阻存儲器的I-V特性曲線圖，從圖中可以看出當電壓從0V向負電壓掃描時，存儲器從低阻態向高阻態轉變實現RESET操作，RESET操作電流達到約0.01A。由于其低阻態電阻值很低(約幾十歐姆)，在此時存儲狀態讀的電流也將達到mA數量級。因此，根據功耗公式P＝I²Rt，復位操作電流大意味著大的功耗，這將將成為電阻存儲技術發展的瓶頸之一。有文獻研究的結果表明^[3]，復位操作過程與電流流過產生的焦耳熱有關，是一種熱擦除的機制，當產生的焦耳熱高時，會對復位操作過程有利。找到一種降低電阻存儲器復位操作電流的方法具有很大實際應用意義。

圖4a是Sumsang?Electronics公司專利申請的另外一種RRAM結構^[4]，它與傳統的MIM三明治結構的不同之處在于：在兩個電極之間增加了一層電流控制層。如圖4a所示，21是金屬下電極，23是電阻存儲薄膜，25是金屬上電極，26是電流控制層。其中電流控制層26是一種氧化物，它可以為：過渡金屬元素摻雜的ZnOx和RuOx、過渡金屬元素的氧化物、摻雜Al和In的ZnOx和RuOx、金屬摻雜的SiO2和ZrO2。圖4b是圖4a所示結構的電阻示意圖，R_TE、R_R、R_NiO、R_BE分別示25、26、20和21的電阻，電流控制層26的電阻范圍在大約10Ω到10kΩ。通過電流控制層26的電阻R_R，可以使RRAM單元的低阻態電阻升高，從而可以減小低電阻態的電流值，根據功耗公式P＝I²Rt，電流I明顯減小，電阻R部分增加，整體存儲單元的讀或寫的功耗P將可以得到降低。

但是在實際電阻存儲器的制造過程中，圖4a所示結構電阻存儲器的電流控制層的實現是通過CVD或者濺射等方法形成，過渡金屬元素的氧化物和多元摻雜的金屬氧化物形成過程相對復雜，特別是金屬摻雜的氧化物，在常規集成電路制造方法中其薄膜成份比例控制較難，同時均勻性難以保證，這將影響電阻存儲器的制造成本和均勻可靠性。同時過渡金屬元素相對于CMOS集成電路的前端和后段工藝是一種新的元素，對設備有一定的污染性，因此在制造過程種必須謹慎考慮。

發明內容