[發明專利]一種低功耗三維阻變存儲器

在審

• 申請號: 202110647502.3
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113421963A
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 蔡一茂;陳青鈺;王宗巍;張霜杰;黃如
• 申請（專利權）人: 北京大學;錢塘科技創新中心
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了一種低功耗三維阻變存儲器，在阻變存儲器的電極與阻變薄膜之間插入了一層石墨烯阻擋層，所述石墨烯阻擋層為化學氣相淀積法制備的石墨烯薄膜，其中存在少量納米缺陷孔。該石墨烯阻擋層可以限制電極金屬往阻變層的移動，使金屬只能從少量的缺陷孔中通過，限制金屬導電細絲的生長。因此，器件在數據寫入過程中只能形成較細、較少的金屬導電細絲，從而在數據擦除過程中大幅降低數據擦除電流，顯著降低阻變存儲器的功耗。

技術領域

本發明屬于半導體(semiconductor)和CMOS超大規模集成電路(ULSI)中的非揮發性存儲器(Non-volatile Memory)技術領域，具體涉及一種低功耗的三維阻變存儲器(resistive random access memory)的器件結構設計。

背景技術

存儲器是計算機體系架構中的重要組成部分，用于數據的存儲。近幾十年來，存儲器技術得到了飛快的發展，存儲容量、密度、速度等性能得到了飛快的提升。當前，非揮發性存儲器的主流技術為閃存(flash)，相比機械硬盤其在存儲速度上有著巨大優勢，因此其在硬盤、u盤等領域有著廣泛的應用。然而，隨著特征存儲不斷地縮小至納米尺寸節點后，flash面臨的諸多非理性效應日益嚴峻，阻礙了其尺寸的進一步縮小，使其容量難以進一步提升。因此，近些年來，多種新型非揮發存儲器得到廣泛的關注與研究，如磁存儲器(MRAM)、相變存儲器(PRAM)、鐵電存儲器(FeRAM)和阻變存儲器(RRAM)等。其中，RRAM因其結構簡單、讀寫速度快和高集成度等方面的優勢而成為下一代非揮發存儲器的有力競爭者。存儲密度是存儲器的重要性能指標，三維堆疊是提升存儲密度的重要方式。然而，目前3D RRAM技術還存在著諸多不足阻礙其應用，其中一個重要問題為3D RRAM的存儲功耗較高。這一不足限制了三維阻變存儲器的產業化應用，尤其是在可穿戴等對低功耗有較高要求的領域的應用。因此，降低3D RRAM的存儲功耗對其產業化應用有著重要意義。本發明即針對這一問題提出解決方案。

金屬導電細絲型RRAM是RRAM非常重要的一種類型，具有超高的開關比，其數據的寫入與存儲過程由金屬導電細絲的生長與斷裂完成。初始時，阻變層中沒有金屬導電細絲，器件處于高阻態。當施加在頂電極的電壓大于寫入電壓時，頂電極的金屬將在電場的作用下進入阻變層，在阻變層中形成連接頂底電極的金屬導電細絲，器件從高阻態轉變為低阻態，實現數據的寫入過程。此后，當在頂電極上施加的負電壓大于擦除電壓時，由于焦耳熱和電場的作用，金屬導電細絲將斷裂，器件從低阻態轉變為高阻態，實現數據的擦除功能。由于在數據寫入過程中形成的金屬導電細絲往往較粗壯，導致其在數據擦除過程中需要較大的焦耳熱才能使金屬導電細絲斷裂，因而需消耗較大功耗。本發明即主要針對這一問題提出解決方案。

發明內容

本發明提出了一種具有石墨烯阻擋層結構的低功耗三維阻變存儲器，以期降低三維阻變存儲器的功耗。

本發明針對金屬導電細絲型三維阻變存儲器功耗較高的問題，通過在電極與阻變薄膜之間插入一層石墨烯阻擋層的方法制備低功耗三維阻變存儲器。制備良好的石墨烯具有優異的不可滲透性，即使是最小的氣體分子氫和氦也難以通過。但是通過化學氣相淀積(CVD)制備的石墨烯薄膜卻存在少量納米缺陷孔(孔徑：約10nm，密度：1/μm²)。利用CVD制備的石墨烯阻擋層可以限制電極金屬往阻變層的移動，使金屬只能從少量的缺陷孔中通過，限制金屬導電細絲的生長。因此，器件在數據寫入過程中只能形成較細、較少的金屬導電細絲，從而在數據擦除過程中只需要較少的焦耳熱即可使金屬導電細絲斷裂，達到降低器件功耗的目的。

本發明采用的技術方案如下：

一種低功耗三維阻變存儲器，包括襯底和位于襯底上的三維阻變存儲器和隔離介質，所述三維阻變存儲器的層數≥2；所述三維阻變存儲器的單個器件的結構由下至上依次為下層電極、阻變薄膜、石墨烯阻擋層和上層電極，或者為下層電極、石墨烯阻擋層、阻變薄膜和上層電極，即石墨烯阻擋層位于阻變薄膜與上層電極或下層電極之間，且所述石墨烯阻擋層為化學氣相淀積法制備的石墨烯薄膜。