[发明专利]一种电阻转换存储器及其存储操作方法

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种电阻转换存储器及对这种存储器进行存储操作的方法。更具体地说，本发明涉及以相变材料(如Ge₂Sb₂Te₅)或者二元以上(包括二元)的多元金属氧化物(如Cu_xO1＜x≤2、WO_x2≤x≤3、钛的氧化物、镍的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铌的氧化物、钽的氧化物等)作为存储介质并且存储单元中有两个存储电阻共享同一个选通器件的电阻转换存储器及其存储操作方法。

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。但是由于存储电荷的要求，FLASH不能随技术代发展无限制拓展，有报道预测FLASH技术的极限在32nm左右，这就迫使人们寻找性能更为优越的下一代不挥发存储器。最近电阻转换存储器(resistive switching memory)因为其高密度、低成本、可突破技术代发展限制的特点引起高度关注，所使用的材料有相变材料^[1]、掺杂的SrZrO₃^[2]、铁电材料PbZrTiO₃^[3]、铁磁材料Pr_1-xCa_xMnO₃^[4]、二元金属氧化物材料^[5]、有机材料^[6]等。二元金属氧化物(如Nb₂O₅，Al₂O₃，Ta₂O₅，Ti_xO，Ni_xO^[5]，Cu_xO^[7]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(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104和一个选通器件100，存储电阻104与选通器件100的一端102直接连接，图b中TE和BE分别代表电阻104的上电极和下电极。在示意图中选通器件100采用MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)器件，存储电阻104的另一端与位线(简写为BL)102相连。位线102与字线101共同作用就选中交叉处的单个电阻104进行存储操作。选通器件100使得电信号只对耦合在字线—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，占用硅片面积。而1个选通器件只能控制一个存储电阻。

然而，随着存储器密度的提高，每个存储单元的选通器件由于尺寸的限制无法提供足够强的写信号(写操作电压或者写操作电流)，造成对存储电阻写操作的失败。针对这一问题，本发明提出相应的解决方法。

发明内容

本发明提供一种电阻转换存储器件及相应的存储操作方法，可以解决选通器件在存储器密度提高的情况下无法提供足够强的写操作信号的问题。

本发明提出的电阻转换存储器件，以相变材料(如Ge₂Sb₂Te₅)或者二元以上(包括二元)的多元金属氧化物作为存储电阻，包括数条字线，数条位线，以及数个存储单元，每个存储单元中都包括两个的存储电阻，这些存储电阻的第一电极都与同一个选通器件连接，该选通器件可以是双极型晶体管(bipolar transistor)或者是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者是二极管，并通过该选通器件与称为字线的导线耦连；这些存储电阻的第二电极与不同的称为位线的导线耦连，形成在同一个存储单元中两个存储电阻共享同一个选通器件的结构。

上述结构中，同一存储单元中的不同存储电阻可以位于多层互连金属线层上，每一层互连金属线层和与之连接的存储介质所在的层构成一个复合层，不同复合层在垂直方向进行层叠，相邻复合层间通过位于通孔中的金属塞连接，形成三维的存储阵列。