[发明专利]一次可编程存储单元、存储器及其操作方法

说明书

技术领域

本发明属于一次可编程存储器技术领域，具体涉及一种基于氧化石墨烯层的一次可编程存储单元、存储器及其操作方法。 

背景技术

非挥发存储器在断电时仍能保持所存储的数据，这使得非挥发存储器在各种不同类型的电子设备中有着及其广泛的应用。一次可编程存储器（One-Time Programmable Memory，OTP）是常见的非挥发存储器中的一种，它通过字线和位线交叉的存储单元来存储逻辑信息，其中，常见的存储单元有熔丝、反熔丝和电荷俘获型器件（例如浮栅雪崩注入场效应管）。一次可编程存储器一般是不可重复编程的。

对于熔丝和反熔丝型存储器，需要一个高电压来击穿电容绝缘层，在电击穿过程中会有高功耗的损失。此外，由于器件一旦被击穿后不能被再进行编程和擦除操作，所以对器件的测试条件要求较高，测试时不能击穿器件，同时也不能对器件进行加速测试，所以测试所花费的时间也将较长，影响了产品的良率。

对于电荷俘获型存储器，包括可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），一般来说，用于制造这种类型的非挥发存储器的工艺制程要落后于先进的CMOS逻辑工艺。例如，用于快闪EEPROM的器件的工艺要比标准的先进CMOS工艺多加30%的掩膜步骤，以便制造高电压产生电路、浮栅结构、ONO层、三阱，以及在这些器件中一般具有的特殊的源和漏结所需的各种特殊的区域和结构。

据此，用于快闪结构的器件要落后于先进CMOS工艺一到两代，同时每个芯片的成本都要比后者贵30%。作为另一个例子，基于氧化层击穿效应的反熔丝器件的工艺必须适合于制作各种反熔丝结构和高电压电路，因此该工艺同样趋于比先进CMOS工艺落后一代。

随着工艺尺寸的缩小，上述的可编程只读存储器都会遇到瓶颈问题。例如，工业界普遍认为快闪存储器将遭遇物理极限瓶颈，FLASH的浮栅不能随技术代发展无限制减薄；而基于氧化层击穿效应的可编程只读存储器将遭遇软击穿（由于氧化层厚度变薄，发生软击穿的概率越大）的问题。

 同时，石墨烯（Graphene，G）由于具有特殊的力学、量子以及电学性质，是近年来被广泛研究的一种新型的材料。石墨烯是一种二维碳原子晶体，通常具有良好的导电性。而石墨烯氧化物（或者称为氧化石墨烯，Graphene Oxide，GO）是一种相对具有近似绝缘特性的材料，其中包括含氧基团（Oxygen-containing groups），诸如羟基（hydroxyl）、环氧基（epoxy）等等。石墨烯和氧化石墨烯都具有二维特性，其薄膜可以达到纳米级的厚度，其可以半导体器件相兼容。

并且，题目为“Nanoscale Tunable Reduction of Graphene Oxide for Graphene Electronics”（来自2010年6月11日的《Science》、第328卷）文献中，Zhongqing Wei等人报道了石墨烯氧化物在一定的加热条件下（例如130度加热）可以由相对绝缘性转换为导电性的物质。

 有鉴于此，本发明提出了一种新型的OTP。

发明内容

本发明的目的在于提出一种完全区别于传统的OTP的、基于氧化石墨烯的新型OTP、存储器及其操作方法。 

本发明提出的一次可编程存储单元，包括上电极和下电极，并且还包括置于所述上电极和所述下电极之间的、作为存储介质层的氧化石墨烯层。

作为本发明的一次可编程存储单元的一个技术方案，其中，所述氧化石墨烯层的面积小于或等于所述下电极的面积。

作为本发明的一次可编程存储单元的又一个技术方案，其中，所述氧化石墨烯层的面积大于所述下电极的面积。

作为本发明的一次可编程存储单元的又一个技术方案，其中，还包括介质层，所述介质层用于构图形成所述氧化石墨烯层和/或下电极。

优选地，所述介质层为低k介质层。

具体地，所述下电极为Co、Cu、W、Ni、Zr、Ta、TaN、Ti、TiN、Zn或Al。

具体地，所述上电极为Pd、Ta、Ti、TaN、TiN、Cu、Al、Pt、W、Ni、Ru、Ru-Ta合金、Pt-Ti合金、Ni-Ta合金之一，或者为Pd、Ta、Ti、TaN、TiN、Cu、Al、Pt、W、Ni、Ru、Ru-Ta合金、Pt-Ti合金、Ni-Ta合金中任意两者组成的复合层材料之一。

作为本发明的一次可编程存储单元的又一个技术方案，其中，所述氧化石墨烯层被编程后部分地或者全部地转变为石墨烯层。

本发明还提出制备所述一次可编程存储单元的方法，包括以下步骤：