[發明專利]電阻式隨機存取存儲器單元

無效

• 申請號: 201010131793.2
• 申請日: 2010-03-22
• 公開（公告）號: CN102201429A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: 季明華;林殷茵
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號: H01L27/24
• 分類號: H01L27/24;H01L21/84;G11C11/56
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 董巍;顧珊

技術領域

本發明涉及半導體存儲器，具體地說，涉及電阻式隨機存取存儲器(RRAM，Resistive?Random?Access?memory)單元結構及其陣列和存儲器操作。

背景技術

21世紀，計算機技術、互聯網以及新型大眾化電子產品的高速發展，對電子信息的存儲處理產品的需求呈現高速上升趨勢，并迫切需要在存儲器材料和技術方面取得突破。作為下一代非易失性存儲器而備受關注的電阻式隨機存取存儲器(RRAM)將會成為下一代核心存儲器。RRAM具有這樣的優勢：作為工作存儲器，其速度可與SRAM匹敵；作為存取存儲器，能夠實現與NAND型閃存相抗衡的成本。

2000年，美國休斯敦大學的科學家報道了在龐磁阻氧化物薄膜器件中發現電脈沖觸發可逆電阻轉變效應(EPIR效應)，即在外加納秒級電壓脈沖的作用下，器件的電阻在低阻態(“0”)和高阻態(“1”)之間可逆轉變，變化率可達1000倍以上，并且所得到的電阻在外電場去除后可以保持下來。同年，IBM研發部門也在鈣鈦礦型氧化物薄膜器件中發現了類似的效應。基于這一效應，科學界提出了一種新型非易失性存儲器概念，即上述的電阻式隨機存取存儲器(RRAM)。

RRAM的工作機理，即RRAM所利用的現象是材料電阻會因施加的電壓脈沖而發生可逆的阻值巨變，也稱為CER現象。CER現象是稱為“強相關(Strongly?Correlated)”電子類材料中常見的現象。強相關電子類材料是一類材料的總稱，這類材料具有電子大范圍相互強烈作用的特點，電氣傳導特性與普通金屬及半導體不同。NiO及PrCaMnO等金屬氧化物便是其中一例。據推測，CER現象是強相關電子材料與金屬電極間的界面發生電阻變化而生產的，對在金屬電極上三層疊夾PrCaMnO的元件施加電壓，檢測了這時的電阻變化。結果表明，電阻變化依靠的是電壓的施加方向，通過向界面態注入電荷，強相關電子材料與金屬電極間的界面所形成的肖特基勢壘的高度便會發生變化。

RRAM是業界普遍看好的下一代非易失性存儲技術。RRAM的主要優勢表現在：一是制備簡單。存儲單元為金屬-氧化物-金屬三明治結構，可通過濺射、氣相沉積等常規的薄膜工藝制備；二是擦寫速度快。擦寫速度由觸發電阻轉變的脈沖寬度決定，一般小于100納秒，遠高于Flash存儲器；三是存儲密度高。研究表明電阻發生變化的區域很小，約幾個納米，因此存儲單元可以很小，另外，在RRAM中還存在多水平電阻轉變現象，利用這些電阻狀態可存儲不同信息，在不改變存儲單元體積的條件下可實現更多信息的存儲；四是半導體工藝兼容性好，RRAM可利用現有的半導體工藝技術生產，從而大大縮減開發成本。

在RRAM的研究中，有的把研究的注意力集中在材料組分簡單、制造工藝與CMOS兼容的二元金屬氧化物上，創新性地研究了摻雜二元金屬氧化物的電阻轉變特性。實驗結果發現在二元金屬氧化物中摻雜可以有效地提高器件的成品率，這項結果使得摻雜的二元金屬氧化物材料具有很大的RRAM的應用潛力。近期的研究還基于已經深入研究的Cu/ZrO₂:Cu/Pt材料結構。到目前為止，雙穩態電阻開關被發現存在于鈣鈦礦氧化物(如SrTiO_3，，SrZrO₃(SZO)，PCMO，PZTO，...等)，過渡金屬氧化物(如Ni-O，Cu-O，W-O，TiON，Zr-O，Fe-O，Co-O，...等)，銅摻雜SiO2或W-O，固態電解質，甚至聚合物。盡管有多種不同的材料顯示電阻開關和可以用于RRAM，但只有與標準CMOS后端工藝(如WO_x，Cu_xO等)完全兼容的那些材料才被商業化。