[發(fā)明專利]疊層電容型阻變存儲單元結(jié)構(gòu)及其操作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410128766.8
• 申請日: 2014-04-01
• 公開（公告）號: CN103943776B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁方;張志剛;潘立陽;許軍
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;G11C13/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微電子器件的設(shè)計和制造領(lǐng)域，特別涉及一種疊層電容型阻變存儲單元結(jié)構(gòu)及其操作方法。

背景技術(shù)

阻變存儲器（Resistive?Random?Access?Memory，RRAM）是一種近十年來飛速發(fā)展的非揮發(fā)性存儲器，具有非常廣泛的市場需求。該類存儲器的器件單元通常為MIM（金屬-絕緣層-金屬）結(jié)構(gòu)，其制造方法簡單且與CMOS技術(shù)高度兼容，數(shù)據(jù)存儲容量大密度高，操作速度快且可靠性高，是公認的未來可以取代傳統(tǒng)機械硬盤、NAND?Flash型存儲器的非揮發(fā)存儲器之一。

近年來，國內(nèi)外對RRAM的研究報道和測試芯片產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，但RRAM始終在操作上存在一個技術(shù)難題：擦除reset時的電流過大。圖1為一個典型的RRAM單元器件在操作（包括編程set和擦除reset）時的I-V曲線圖，包括了所有四種的操作模式，即單極性（unipolar）的兩種和雙極性（bipolar）的兩種。圖中電流從小到大的過程為set，此時存儲介質(zhì)從接近絕緣的高阻態(tài)轉(zhuǎn)變到低阻態(tài)；反之電流從大回到小的過程為reset，電阻也相應(yīng)從低阻回到高阻。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，reset的電流為mA級別，這在由該存儲單元形成的高密度陣列中，會形成很大的總電流，勢必引起整個陣列的高功率和散熱等諸多問題。目前針對這一問題，一種方法是從材料入手，通過制備中的特殊工藝等方法調(diào)節(jié)低阻態(tài)電阻，使低阻變大從而減小reset電流，但是這種方法往往需要增加工藝生產(chǎn)中的難度；另一方法是通過外圍增加限流電路（如串聯(lián)一個電阻）來控制電流，不過這勢必會增加芯片版圖面積，使有效的存儲陣列面積減小，不利于低成本高密度的存儲發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的reset電流過大的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的目的在于提出一種reset電流小的疊層電容型阻變存儲單元結(jié)構(gòu)及其操作方法。

根據(jù)本發(fā)明實施例的疊層電容型阻變存儲單元結(jié)構(gòu)，包括：絕緣襯底；形成在所述絕緣襯底之上的下電極；形成在所述下電極之上的電容介質(zhì)層；形成在所述電容介質(zhì)層之上的中間電極；形成在所述中間電極之上的阻變存儲介質(zhì)層；以及形成在所述阻變存儲介質(zhì)層之上的上電極。

本發(fā)明實施例的疊層電容型阻變存儲單元結(jié)構(gòu)，至少具有如下優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，可以通過半導(dǎo)體領(lǐng)域成熟的工藝制造，兼容性高，適合大批量生產(chǎn)，成本較低；（2）通過引入的疊層電容結(jié)構(gòu)，能夠有效的改善傳統(tǒng)RRAM在擦除操作中的大電流問題，具有良好的存儲性能和高密度集成潛力。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的疊層電容型阻變存儲單元結(jié)構(gòu)還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在本發(fā)明的一個實施例中，所述電容介質(zhì)層的材料為HfO₂、Al₂O₃或SiO₂中的一種或多種的組合。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述阻變存儲介質(zhì)層的材料為Nb₂O₅、Ta₂O₅、TiO₂、HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、La₂O₅、Si₃N₄、LaAlO₃、ZrSiO₄或HfSiO₄中的一種或多種的組合。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述下電極、中間電極和上電極的材料分別為Al、Pt、Cu、Ag、TiN或ITO中的一種或多種的組合。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述電容介質(zhì)層的厚度為5-100nm。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述阻變存儲介質(zhì)層的厚度為5-100nm。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述下電極、中間電極和上電極的厚度分別為30-500nm。

根據(jù)本發(fā)明實施例的疊層電容型阻變存儲單元結(jié)構(gòu)的操作方法，所述疊層電容型阻變存儲單元結(jié)構(gòu)為上述任一種疊層電容型阻變存儲單元結(jié)構(gòu)，當(dāng)操作為初始化操作時，對所述上電極加初始化電壓，所述中間電極和所述下電極接地，其中，所述初始化電壓的正負號由所述上電極和所述阻變存儲介質(zhì)層的材料組合決定；當(dāng)操作為編程操作時，對所述上電極加編程電壓，所述中間電極和所述下電極接地，其中所述編程電壓與所述初始化電壓正負號一致，所述編程電壓的絕對值小于所述初始化電壓的絕對值。