[發(fā)明專利]一次可編程存儲單元、存儲器及其操作方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010264413.2
• 申請日: 2010-08-27
• 公開（公告）號: CN101931048A
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發(fā)明（設計）人: 周鵬;孫清清;吳東平;張衛(wèi)
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;G11C17/18
• 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(fā)明屬于一次可編程存儲器技術領域，具體涉及一種基于氧化石墨烯層的一次可編程存儲單元、存儲器及其操作方法。?

背景技術

非揮發(fā)存儲器在斷電時仍能保持所存儲的數據，這使得非揮發(fā)存儲器在各種不同類型的電子設備中有著及其廣泛的應用。一次可編程存儲器（One-Time?Programmable?Memory，OTP）是常見的非揮發(fā)存儲器中的一種，它通過字線和位線交叉的存儲單元來存儲邏輯信息，其中，常見的存儲單元有熔絲、反熔絲和電荷俘獲型器件（例如浮柵雪崩注入場效應管）。一次可編程存儲器一般是不可重復編程的。

對于熔絲和反熔絲型存儲器，需要一個高電壓來擊穿電容絕緣層，在電擊穿過程中會有高功耗的損失。此外，由于器件一旦被擊穿后不能被再進行編程和擦除操作，所以對器件的測試條件要求較高，測試時不能擊穿器件，同時也不能對器件進行加速測試，所以測試所花費的時間也將較長，影響了產品的良率。

對于電荷俘獲型存儲器，包括可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）和電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM），一般來說，用于制造這種類型的非揮發(fā)存儲器的工藝制程要落后于先進的CMOS邏輯工藝。例如，用于快閃EEPROM的器件的工藝要比標準的先進CMOS工藝多加30%的掩膜步驟，以便制造高電壓產生電路、浮柵結構、ONO層、三阱，以及在這些器件中一般具有的特殊的源和漏結所需的各種特殊的區(qū)域和結構。

據此，用于快閃結構的器件要落后于先進CMOS工藝一到兩代，同時每個芯片的成本都要比后者貴30%。作為另一個例子，基于氧化層擊穿效應的反熔絲器件的工藝必須適合于制作各種反熔絲結構和高電壓電路，因此該工藝同樣趨于比先進CMOS工藝落后一代。

隨著工藝尺寸的縮小，上述的可編程只讀存儲器都會遇到瓶頸問題。例如，工業(yè)界普遍認為快閃存儲器將遭遇物理極限瓶頸，FLASH的浮柵不能隨技術代發(fā)展無限制減薄；而基于氧化層擊穿效應的可編程只讀存儲器將遭遇軟擊穿（由于氧化層厚度變薄，發(fā)生軟擊穿的概率越大）的問題。

?同時，石墨烯（Graphene，G）由于具有特殊的力學、量子以及電學性質，是近年來被廣泛研究的一種新型的材料。石墨烯是一種二維碳原子晶體，通常具有良好的導電性。而石墨烯氧化物（或者稱為氧化石墨烯，Graphene?Oxide，GO）是一種相對具有近似絕緣特性的材料，其中包括含氧基團（Oxygen-containing?groups），諸如羥基（hydroxyl）、環(huán)氧基（epoxy）等等。石墨烯和氧化石墨烯都具有二維特性，其薄膜可以達到納米級的厚度，其可以半導體器件相兼容。

并且，題目為“Nanoscale?Tunable?Reduction?of?Graphene?Oxide?for?Graphene?Electronics”（來自2010年6月11日的《Science》、第328卷）文獻中，Zhongqing?Wei等人報道了石墨烯氧化物在一定的加熱條件下（例如130度加熱）可以由相對絕緣性轉換為導電性的物質。

?有鑒于此，本發(fā)明提出了一種新型的OTP。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提出一種完全區(qū)別于傳統(tǒng)的OTP的、基于氧化石墨烯的新型OTP、存儲器及其操作方法。?

本發(fā)明提出的一次可編程存儲單元，包括上電極和下電極，并且還包括置于所述上電極和所述下電極之間的、作為存儲介質層的氧化石墨烯層。

作為本發(fā)明的一次可編程存儲單元的一個技術方案，其中，所述氧化石墨烯層的面積小于或等于所述下電極的面積。

作為本發(fā)明的一次可編程存儲單元的又一個技術方案，其中，所述氧化石墨烯層的面積大于所述下電極的面積。

作為本發(fā)明的一次可編程存儲單元的又一個技術方案，其中，還包括介質層，所述介質層用于構圖形成所述氧化石墨烯層和/或下電極。

優(yōu)選地，所述介質層為低k介質層。

具體地，所述下電極為Co、Cu、W、Ni、Zr、Ta、TaN、Ti、TiN、Zn或Al。

具體地，所述上電極為Pd、Ta、Ti、TaN、TiN、Cu、Al、Pt、W、Ni、Ru、Ru-Ta合金、Pt-Ti合金、Ni-Ta合金之一，或者為Pd、Ta、Ti、TaN、TiN、Cu、Al、Pt、W、Ni、Ru、Ru-Ta合金、Pt-Ti合金、Ni-Ta合金中任意兩者組成的復合層材料之一。

作為本發(fā)明的一次可編程存儲單元的又一個技術方案，其中，所述氧化石墨烯層被編程后部分地或者全部地轉變?yōu)槭印?/p>

本發(fā)明還提出制備所述一次可編程存儲單元的方法，包括以下步驟：