[发明专利]一种低功耗电阻存储器的实现方法

说明书

技术领域

本发明属微电子技术领域，具体涉及一种低功耗电阻存储器的实现方法。

背景技术

存储器在半导体市场中占有着重要的地位。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 RandomAccess 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是电阻存储单元的I-V特性曲线的示意图^[2]，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，曲线100表示起始态为低阻的状态，当电压由0向负向逐渐增大到V_T2时，电流达到最大值，此后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。在电信号作用下，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。通常称从高阻转换为低阻的操作为置位(set)操作，从低阻转换为高阻的为复位(reset)操作。

图2是已报道的传统的电阻存储单元结构图^[2]。其中21是金属下电极，23是电阻存储薄膜，25是金属上电极，三者共同组成存储单元10，可以看到，它采用了金属电极-电阻存储薄膜一金属电极(MIM)的三明治结构。

图3是一种Al/CuxO/Cu结构电阻存储器的I-V特性曲线图，从图中可以看出当电压从0V向负电压扫描时，存储器从低阻态向高阻态转变实现RESET操作，RESET操作电流达到约0.01A。由于其低阻态电阻值很低(约几十欧姆)，在此时存储状态读的电流也将达到mA数量级。因此，根据功耗公式P＝I²Rt，复位操作电流大意味着大的功耗，这将将成为电阻存储技术发展的瓶颈之一。有文献研究的结果表明^[3]，复位操作过程与电流流过产生的焦耳热有关，是一种热擦除的机制，当产生的焦耳热高时，会对复位操作过程有利。找到一种降低电阻存储器复位操作电流的方法具有很大实际应用意义。

图4a是Sumsang Electronics公司专利申请的另外一种RRAM结构^[4]，它与传统的MIM三明治结构的不同之处在于：在两个电极之间增加了一层电流控制层。如图4a所示，21是金属下电极，23是电阻存储薄膜，25是金属上电极，26是电流控制层。其中电流控制层26是一种氧化物，它可以为：过渡金属元素掺杂的ZnOx和RuOx、过渡金属元素的氧化物、掺杂Al和In的ZnOx和RuOx、金属掺杂的SiO2和ZrO2。图4b是图4a所示结构的电阻示意图，R_TE、R_R、R_NiO、R_BE分别示25、26、20和21的电阻，电流控制层26的电阻范围在大约10Ω到10kΩ。通过电流控制层26的电阻R_R，可以使RRAM单元的低阻态电阻升高，从而可以减小低电阻态的电流值，根据功耗公式P＝I²Rt，电流I明显减小，电阻R部分增加，整体存储单元的读或写的功耗P将可以得到降低。

但是在实际电阻存储器的制造过程中，图4a所示结构电阻存储器的电流控制层的实现是通过CVD或者溅射等方法形成，过渡金属元素的氧化物和多元掺杂的金属氧化物形成过程相对复杂，特别是金属掺杂的氧化物，在常规集成电路制造方法中其薄膜成份比例控制较难，同时均匀性难以保证，这将影响电阻存储器的制造成本和均匀可靠性。同时过渡金属元素相对于CMOS集成电路的前端和后段工艺是一种新的元素，对设备有一定的污染性，因此在制造过程种必须谨慎考虑。

发明内容