[发明专利]单极编程的电阻存储器及其存储操作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种低功耗的单极编程的电阻存储器及其操作方法。

背景技术

存储器在半导体市场中占有重要的地位。由于便携式电子设备的不断普及，不挥发存储器在整个存储器市场中的份额也越来越大，其中90％以上的份额被FLASH占据。但是由于串扰(CROSS TALK)、以及隧穿层不能随技术代发展无限制减薄、与嵌入式系统集成等FLASH发展的瓶颈问题，迫使人们寻找性能更为优越的新型不挥发存储器。最近电阻随机存储器(Resistive Random Access Memory，简称为RRAM)因为其高密度、低成本、有很强的随技术代发展能力等特点引起高度关注，所使用的材料有相变材料、掺杂的SrZrO₃、铁电材料PbZrTiO₃、铁磁材料Pr_1-xCa_xMnO₃、二元金属氧化物材料^[1]、有机材料等。其中一些二元金属氧化物(如铜的氧化物^[2]、钨的氧化物、钛的氧化物、镍的氧化物、铝的氧化物等)由于在组份精确控制、与集成电路工艺兼容性及成本方面的潜在优势格外受关注。

图1是已被报道的电阻转换存储单元的I-V特性曲线的示意图^[2]，它具有能够单极编程的特点。图1所示曲线101和100分别表示采用正向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的过程，它具有正向单极编程的特点，曲线101表示起始态为高阻的IV曲线，电压扫描方向如箭头所示，当电压从0开始向正向逐渐增大到V_T1时，电流会突然迅速增大，表明存储电阻从高阻突变成低阻状态(set操作)，示意图中电流增大不是无限制的，而是受回路中电流限制元件的约束，到达最大值(以下称为钳制值)后不再随电压增加而增加。曲线100表示起始态为低阻的状态，当电压由0向正向向逐渐增大到V_T2时，电流会突然迅速减小，表明存储电阻从低阻突变成高阻状态(reset操作)。同样，201和200分别表示采用负向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的过程，它具有负向单极编程的特点。在同向的电信号作用下，此器件可在高阻和低阻间可逆转换，从而达到信号存储的作用。

图2是目前报道对Cu_xO电阻进行读写操作时施加电压的方式。对Cu_xO电阻进行置位操和复位操作时施加一个脉宽为300ns的单脉冲，这样测得Cu_xO电阻在高阻或电阻间来回转换的次数(以下称为可擦写次数)的结果^[3]有600次左右。

目前报道的二元金属氧化物电阻转换存储器主要采用四种结构：第一种为传统的一个选通器件加一个存储电阻(1T1R)的结构^[4]，第二种为交叉阵列(cross-point)结构^[3]，第三种为一个选通器件加两个以上存储电阻(1TXR)的结构^[5]。第四种为一个二极管加一个存储电阻(1D1R)的交叉阵列结构^[6]。

图3(a)(b)分别示出了传统的1T1R存储单元的电路结构图和物理结构剖面示意图。每个存储单元110中有一个存储电阻201和一个选通器件100，存储电阻201与选通器件100的一端103直接连接，图b中TE和BE分别代表存储电阻201的上电极和下电极。在示意图中选通器件31采用MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)器件，存储电阻201的另一端102与位线BL相连接，选通器件100通过控制端101与字线WL连接。位线BL与字线WL共同作用就选中交叉处的单个存储电阻201进行存储操作。选通器件100使得电信号只对耦合在字线一位线交叉对之间的单个电阻进行操作，而不会对其它的存储单元产生串扰。这种结构的特点是不同存储单元之间，在存储操作中的相互干扰小，但是选通器件必须制作在硅片衬底上，消耗硅片面积大。而且1个选通器件只能控制一个存储电阻，存储密度受限制。