[发明专利]一种低功耗三维阻变存储器

说明书

本发明公开了一种低功耗三维阻变存储器，在阻变存储器的电极与阻变薄膜之间插入了一层石墨烯阻挡层，所述石墨烯阻挡层为化学气相淀积法制备的石墨烯薄膜，其中存在少量纳米缺陷孔。该石墨烯阻挡层可以限制电极金属往阻变层的移动，使金属只能从少量的缺陷孔中通过，限制金属导电细丝的生长。因此，器件在数据写入过程中只能形成较细、较少的金属导电细丝，从而在数据擦除过程中大幅降低数据擦除电流，显著降低阻变存储器的功耗。

技术领域

本发明属于半导体(semiconductor)和CMOS超大规模集成电路(ULSI)中的非挥发性存储器(Non-volatile Memory)技术领域，具体涉及一种低功耗的三维阻变存储器(resistive random access memory)的器件结构设计。

背景技术

存储器是计算机体系架构中的重要组成部分，用于数据的存储。近几十年来，存储器技术得到了飞快的发展，存储容量、密度、速度等性能得到了飞快的提升。当前，非挥发性存储器的主流技术为闪存(flash)，相比机械硬盘其在存储速度上有着巨大优势，因此其在硬盘、u盘等领域有着广泛的应用。然而，随着特征存储不断地缩小至纳米尺寸节点后，flash面临的诸多非理性效应日益严峻，阻碍了其尺寸的进一步缩小，使其容量难以进一步提升。因此，近些年来，多种新型非挥发存储器得到广泛的关注与研究，如磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)、铁电存储器(FeRAM)和阻变存储器(RRAM)等。其中，RRAM因其结构简单、读写速度快和高集成度等方面的优势而成为下一代非挥发存储器的有力竞争者。存储密度是存储器的重要性能指标，三维堆叠是提升存储密度的重要方式。然而，目前3D RRAM技术还存在着诸多不足阻碍其应用，其中一个重要问题为3D RRAM的存储功耗较高。这一不足限制了三维阻变存储器的产业化应用，尤其是在可穿戴等对低功耗有较高要求的领域的应用。因此，降低3D RRAM的存储功耗对其产业化应用有着重要意义。本发明即针对这一问题提出解决方案。

金属导电细丝型RRAM是RRAM非常重要的一种类型，具有超高的开关比，其数据的写入与存储过程由金属导电细丝的生长与断裂完成。初始时，阻变层中没有金属导电细丝，器件处于高阻态。当施加在顶电极的电压大于写入电压时，顶电极的金属将在电场的作用下进入阻变层，在阻变层中形成连接顶底电极的金属导电细丝，器件从高阻态转变为低阻态，实现数据的写入过程。此后，当在顶电极上施加的负电压大于擦除电压时，由于焦耳热和电场的作用，金属导电细丝将断裂，器件从低阻态转变为高阻态，实现数据的擦除功能。由于在数据写入过程中形成的金属导电细丝往往较粗壮，导致其在数据擦除过程中需要较大的焦耳热才能使金属导电细丝断裂，因而需消耗较大功耗。本发明即主要针对这一问题提出解决方案。

发明内容

本发明提出了一种具有石墨烯阻挡层结构的低功耗三维阻变存储器，以期降低三维阻变存储器的功耗。

本发明针对金属导电细丝型三维阻变存储器功耗较高的问题，通过在电极与阻变薄膜之间插入一层石墨烯阻挡层的方法制备低功耗三维阻变存储器。制备良好的石墨烯具有优异的不可渗透性，即使是最小的气体分子氢和氦也难以通过。但是通过化学气相淀积(CVD)制备的石墨烯薄膜却存在少量纳米缺陷孔(孔径：约10nm，密度：1/μm²)。利用CVD制备的石墨烯阻挡层可以限制电极金属往阻变层的移动，使金属只能从少量的缺陷孔中通过，限制金属导电细丝的生长。因此，器件在数据写入过程中只能形成较细、较少的金属导电细丝，从而在数据擦除过程中只需要较少的焦耳热即可使金属导电细丝断裂，达到降低器件功耗的目的。

本发明采用的技术方案如下：

一种低功耗三维阻变存储器，包括衬底和位于衬底上的三维阻变存储器和隔离介质，所述三维阻变存储器的层数≥2；所述三维阻变存储器的单个器件的结构由下至上依次为下层电极、阻变薄膜、石墨烯阻挡层和上层电极，或者为下层电极、石墨烯阻挡层、阻变薄膜和上层电极，即石墨烯阻挡层位于阻变薄膜与上层电极或下层电极之间，且所述石墨烯阻挡层为化学气相淀积法制备的石墨烯薄膜。