[发明专利]电阻式随机存取存储器单元

说明书

技术领域

本发明涉及半导体存储器，具体地说，涉及电阻式随机存取存储器(RRAM，Resistive Random Access memory)单元结构及其阵列和存储器操作。

背景技术

21世纪，计算机技术、互联网以及新型大众化电子产品的高速发展，对电子信息的存储处理产品的需求呈现高速上升趋势，并迫切需要在存储器材料和技术方面取得突破。作为下一代非易失性存储器而备受关注的电阻式随机存取存储器(RRAM)将会成为下一代核心存储器。RRAM具有这样的优势：作为工作存储器，其速度可与SRAM匹敌；作为存取存储器，能够实现与NAND型闪存相抗衡的成本。

2000年，美国休斯敦大学的科学家报道了在庞磁阻氧化物薄膜器件中发现电脉冲触发可逆电阻转变效应(EPIR效应)，即在外加纳秒级电压脉冲的作用下，器件的电阻在低阻态(“0”)和高阻态(“1”)之间可逆转变，变化率可达1000倍以上，并且所得到的电阻在外电场去除后可以保持下来。同年，IBM研发部门也在钙钛矿型氧化物薄膜器件中发现了类似的效应。基于这一效应，科学界提出了一种新型非易失性存储器概念，即上述的电阻式随机存取存储器(RRAM)。

RRAM的工作机理，即RRAM所利用的现象是材料电阻会因施加的电压脉冲而发生可逆的阻值巨变，也称为CER现象。CER现象是称为“强相关(Strongly Correlated)”电子类材料中常见的现象。强相关电子类材料是一类材料的总称，这类材料具有电子大范围相互强烈作用的特点，电气传导特性与普通金属及半导体不同。NiO及PrCaMnO等金属氧化物便是其中一例。据推测，CER现象是强相关电子材料与金属电极间的界面发生电阻变化而生产的，对在金属电极上三层叠夹PrCaMnO的元件施加电压，检测了这时的电阻变化。结果表明，电阻变化依靠的是电压的施加方向，通过向界面态注入电荷，强相关电子材料与金属电极间的界面所形成的肖特基势垒的高度便会发生变化。

RRAM是业界普遍看好的下一代非易失性存储技术。RRAM的主要优势表现在：一是制备简单。存储单元为金属-氧化物-金属三明治结构，可通过溅射、气相沉积等常规的薄膜工艺制备；二是擦写速度快。擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般小于100纳秒，远高于Flash存储器；三是存储密度高。研究表明电阻发生变化的区域很小，约几个纳米，因此存储单元可以很小，另外，在RRAM中还存在多水平电阻转变现象，利用这些电阻状态可存储不同信息，在不改变存储单元体积的条件下可实现更多信息的存储；四是半导体工艺兼容性好，RRAM可利用现有的半导体工艺技术生产，从而大大缩减开发成本。

在RRAM的研究中，有的把研究的注意力集中在材料组分简单、制造工艺与CMOS兼容的二元金属氧化物上，创新性地研究了掺杂二元金属氧化物的电阻转变特性。实验结果发现在二元金属氧化物中掺杂可以有效地提高器件的成品率，这项结果使得掺杂的二元金属氧化物材料具有很大的RRAM的应用潜力。近期的研究还基于已经深入研究的Cu/ZrO₂:Cu/Pt材料结构。到目前为止，双稳态电阻开关被发现存在于钙钛矿氧化物(如SrTiO_3，，SrZrO₃(SZO)，PCMO，PZTO，...等)，过渡金属氧化物(如Ni-O，Cu-O，W-O，TiON，Zr-O，Fe-O，Co-O，...等)，铜掺杂SiO2或W-O，固态电解质，甚至聚合物。尽管有多种不同的材料显示电阻开关和可以用于RRAM，但只有与标准CMOS后端工艺(如WO_x，Cu_xO等)完全兼容的那些材料才被商业化。