[發明專利]阻變隨機訪問存儲器件及其制造和操作方法

有效

• 申請號: 201010198033.3
• 申請日: 2010-06-03
• 公開（公告）號: CN102270654A
• 公開（公告）日: 2011-12-07
• 發明（設計）人: 康晉鋒;高濱;陳沅沙;孫兵;劉力鋒;劉曉彥;韓汝琦
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L27/24
• 分類號: H01L27/24;H01L21/822;G11C11/56;G11C16/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王波波

技術領域

本發明涉及存儲器件，具體涉及阻變隨機訪問存儲器件(resistiverandom?access?memory?device，RRAM)。

本發明還涉及上述阻變隨機訪問存儲器件的制造和操作方法。

背景技術

目前，微電子工業的發展推動著存儲器技術的不斷進步，提高集成密度和降低生產成本是存儲器產業追求的目標。非揮發性存儲器具有在無電源供應時仍能保持數據信息的優點，在信息存儲領域具有非常重要的地位。

采用阻變材料的新型非揮發性存儲器具有高速度(＜5ns)、低功耗(＜1V)，高存儲密度、易于集成等優點，是下一代半導體存儲器的強有力競爭者。這種阻變存儲器一般具有M-I-M(Metal-Insulator-Metal，金屬一絕緣體一金屬)結構，即在兩個金屬電極之間夾有阻變材料層。

阻變材料一般是過渡金屬氧化物，常見的有NiO、TiO₂、HfO₂、ZrO₂、ZnO等等。阻變材料可以表現出兩個穩定的狀態，即高阻態和低阻態分別對應數字“0”和“1”。由高阻態到低阻態的轉變為編程或者置位(SET)操作，由低阻態到高阻態的轉變為擦除或者復位(RESET)操作。

按照其工作方式，可以將阻變存儲器件分為單極和雙極兩種。前者在器件兩端施加單一極性的電壓，利用施加電壓大小不同控制阻變材料的電阻值在高低阻態之間轉換，以實現數據的寫入和擦除；而后者是利用施加相反極性的電壓控制阻變材料電阻值的轉換。雙極阻變存儲器件在翻轉速度、器件一致性、可靠性(數據保持力、可翻轉次數)、可控性等方面的存儲性能比單極阻變存儲器件的存儲性能更好。

按照其基本配置，可以將阻變存儲器件分為1T-1R或1D-1R兩種。1T-1R結構中的每一個存儲單元由一個選通晶體管和一個阻變存儲元件組成。通過控制選通晶體管，可以向指定的存儲單元寫入或擦除數據。由于選通晶體管的存在，存儲單元的面積很大部分是浪費在晶體管上，這對于進一步提高存儲器集成度造成了嚴重障礙。1D-1R配置中的每一個存儲單元由一個二極管和一個阻變存儲元件組成。通過控制二極管，向指定的存儲單元寫入或擦除數據。由于二極管的面積比晶體管的面積小，1D-1R配置在提高集成度方面更具優勢。

然而，由于二極管材料的限制，現有的1D-1R配置的阻變存儲器件只能按照單極方式工作，從而限制了存儲性能的提高。

發明內容

本發明的目的是提供可以按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機訪問存儲器件。

本發明的又一目的是提供一種制造和操作該阻變隨機訪問存儲器件的方法。

基于金屬半導體接觸原理的肖特基二極管具有受金屬材料和外加偏壓控制的較大的反向電流。因此，本發明人提出通過選擇正反向電壓偏置下二極管開關參數合適的肖特基二極管和雙極阻變存儲器串聯連接，可以實現按照雙極方式工作的1D-1R配置的阻變隨機訪問存儲器件。

針對上述結構的阻變隨機訪問存儲器件，本發明人提出可行的操作方法。

根據本發明的一方面，提供一種阻變隨機訪問存儲器件，包括阻變存儲元件，所述阻變存儲元件包括兩個電極以及夾在兩個電極之間的阻變材料層，并且具有雙極阻變特性；以及肖特基二極管，所述肖特基二極管包括彼此接觸的金屬層和半導體層，其中，所述肖特基二極管的金屬層與所述阻變存儲元件的一個電極連接。

根據本發明的另一方面，提供一種制造阻變隨機訪問存儲器件的方法，包括以下步驟：a)在襯底上形成多晶硅層；b)在多晶硅層中摻入雜質以形成p摻雜多晶硅層；c)對p摻雜多晶硅層進行退火以激活摻雜劑；d)在p摻雜多晶硅層上形成第一金屬層；e)在第一金屬層上形成阻變材料層；f)在阻變材料層上形成第二金屬層；g)對p摻雜多晶硅層、第一金屬層、阻變材料層和第二金屬層的疊層進行圖案化，以形成彼此分開的多個阻變隨機訪問存儲器件。

根據本發明的又一方面，提供一種操作阻變隨機訪問存儲器件的方法，其中所述肖特基二極管的半導體層與位線連接，所述阻變存儲元件的另一個電極與字線連接，所述方法包括：

在讀操作中，在字線和位線之間施加負向電壓V_read；

在編程操作中，在字線和位線之間施加正向電壓V₊；

在擦除操作中，在字線和位線之間施加負向電壓V_-；

其中，V_read、V₊、V-滿足以下關系：