一种适用于交叉阵列的自选择阻变存储器及其读取方法与流程

本发明涉及阻变存储器(RRAM)，具体涉及一种适用于交叉阵列的自选择阻变存储器的结构和读取方法，属于CMOS超大规模集成电路(ULSI)中的非挥发存储器(Non-volatile Memory)的结构及其应用领域。

背景技术：

非挥发性存储器是半导体器件很重要的组成部分。近年来，随着移动互联、物联网等技术的兴起，对于非挥发性存储器的需求在日益增高。Flash器件作为非挥发性存储器的代表，也一直按着摩尔定律持续地缩小。但是近几年，当特征尺寸接近20nm之后，器件的进一步缩小遭遇到了很大的挑战，例如数据间串扰的增加、器件参数涨落的增加、器件可靠性的退化等等。为了应对这一挑战，有必要开发新一代的非挥发性存储器件。目前，已经提出的新型挥发存储器技术包括，铁电存储器(FeRAM)、磁随机存储器(MRAM)、相变存储器(PCRAM)和阻变存储器(RRAM)等。其中，阻变存储器因其具有结构简单、可高密度集成、制备温度低、与CMOS后端兼容、高速度操作、低功耗等优点而成为下一代存储器强有力的竞争者。

RRAM器件一般有着金属-绝缘体-金属的三明治结构，在特定的电压/电流激励下，其阻值可以在高阻态和低阻态之间相互转换。将器件从高阻态转变为低阻态的过程称为set，而从低阻态转变为高阻态的过程称为reset。器件的第一次set过程被称为forming，其往往有着相对较大的转换电压。另外，在set/forming时，为了防止器件流过较大的电流而烧毁，通常会限制能流过的最大电流。

在面向高密度存储应用时，阻变存储器往往采用十字交叉阵列结构以达到最大的存储密度。但是，由于泄漏通道的存在，往往无法直接将器件用在阵列中，通常有两种解决方法。一种是将RRAM器件与一个选择管串联形成1D1R(1diode-1resistor)的结构，通过选择管的单向导电能力来抑制泄漏电流。但是，选择管的存在一方面增加了工艺的复杂度，另一方面也会降低阵列的集成度。另一种方法是对器件进行改造，使其自身具有选择特性，即自选择器件，这样就可以省去选择管，简化制备工艺。例如，通过两个双极RRAM器件背靠背串联，适当地选择需要存储的两态以及相应的读取方法，可以使得未被选中的器件都呈现出较高的阻值，从而抑制泄漏电流。自选择器件的最小面积可以为4F²，是面向高密度存储应用的极为有潜力的技术之一。但是，现有的自选择RRAM器件往往需要引入特殊的电极材料或者更多的介质层，工艺的复杂度仍然较高。因此，开发一种结构简单、易于制备的自选择RRAM器件是实现交叉阵列高密度存储急需解决的一个问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，针对基于过渡金属氧化物的双极型RRAM，本发明采用较薄的活性电极，结合较小的限流值，来制备具有挥发性低阻态的自选择RRAM器件，实现阻变单元在交叉阵列中的无选择管集成。

本发明主要讨论此种RRAM器件的结构和阵列应用时的读写操作模式。

基于过渡金属氧化物的双极型RRAM，其阻变机制一般认为是介质层中的氧空位在电场作用下形成(和分解)连通顶、底电极的导电细丝引起的。活性电极如TiN等起到在阻变介质中引入氧空位的作用，活性电极越厚则引入的氧空位越多，形成的导电细丝也越粗。另外，在set/forming过程中的限流大小也会影响导电细丝的粗细，限流越大则导电细丝越粗。因此，通过使用较薄的活性电极和较小的限流值，可以使得形成的导电细丝较细，在晶格弛豫和噪声的影响下，导电细丝容易断裂，使得低阻态呈现出挥发性。

本发明的技术方案如下：

一种自选择阻变存储器，具有挥发性低阻态，包括底电极、顶电极和位于底电极与顶电极之间的阻变介质层，其特征在于，所述阻变介质层的材料为过渡金属氧化物；顶电极和底电极中一个为活性电极，另一个为惰性电极；在活性电极一侧具有电极引出层；所述活性电极的厚度在5～50nm，其材料能够吸收阻变介质层中的氧元素，使阻变介质层中形成氧空位；所述惰性电极采用惰性材料，不会吸收阻变介质层中的氧元素。

上述自选择阻变存储器，作为活性电极的顶电极或底电极厚度较薄，需要一个电极引出层起到保护和导电的作用。

优选的，所述活性电极选用以下材料中的一种或多种：Ti、TiN、Hf、Ta、Al等，易于在阻变介质层中形成氧空位。

可选的，电极引出层可以选择以下惰性且导电性较好的材料中的一种或多种：Pt、Ni、Ir、W等。

可选的，所述惰性电极的可以选择以下材料中的一种或多种：Pt、W、Ni、Ir等。

优选的，所述阻变介质层的厚度为20～50nm，材料可选自下列过渡金属氧化物中的一种或多种：Ta₂O₅、Hf₂O₅、Al₂O₃、NiO等。

进一步的，上述自选择阻变存储器适用于实现高密度存储需要的十字交叉阵列，将上述顶电极和底电极形成十字交叉(如图2所示)，十字交叉部分为阻变存储器结构。

本发明还提出一种基于上述自选择阻变存储器的读写方法，包括：

在器件的set/forming过程中，设置限流值≤500μA，从0开始扫描电压，直到电压值足够使得器件发生set转换，此时器件的阻值从高阻态变为低阻态；撤去电压后，由于器件的低阻态具有挥发性，器件的阻值又会从低阻态转变到一个接近高阻态的阻值。在器件的reset过程中，从0开始反向扫描电压，在此过程中器件会先发生反向set过程，其阻值重新回到低阻态，之后随着电压值的进一步增大，又会发生reset过程，阻值恢复到高阻态。

将挥发性低阻态形成的高阻态记为状态1，将器件本身的高阻态记为状态0，这两个状态用于存储，则写入1的操作与上述的set/forming过程相同；写入0的操作与上述的reset过程相同。

在读操作中，设置读取电压V_read的大小在器件发生反向set和reset过程的电压之间，如果器件处于状态1，那么其会发生反向set；如果器件处于状态0，那么其仍会保持在该状态。

本发明的自选择阻变存储器在器件的set/forming过程中，采用较小的限流值，并且顶电极较薄，致使形成的导电细丝较细，导电细丝由于晶格弛豫和噪声的干扰会发生断裂，使得器件的低阻态呈现挥发性。

将本发明的自选择阻变存储器应用于十字交叉阵列中时，读取电压V_read的大小除了需要设置在反向set电压和reset电压之间外，还需要保证1/2V_read的值小于发生反向set电压的值。

本发明的有益效果主要体现在以下方面：

本发明设计了一种自选择阻变存储器，具有挥发性的低阻态，其结构和制备工艺简单且兼容性高，成本低。

结合特定的读写操作，在十字交叉阵列中应用可以抑制泄漏电流，实现阻变单元的无选择管高密度集成。

附图说明

图1是本发明自选择阻变存储器的器件结构示意图，包括衬底硅片1’，底电极2’，阻变介质层3’，顶电极4’，顶电极引出层5’；

图2是本发明实施例所述自选择阻变存储器的俯视图，顶电极4’和底电极2’形成十字交叉形状；

图3是本发明一实施例中的自选择阻变存储器的阻变特性测试结果；

图4显示了本发明一实施例中的自选择阻变存储器的阵列读取方法；

图5显示了本发明一实施例中的自选择阻变存储器对状态1(挥发性低阻态形成的较高阻态)的读取方法；

图6显示了本发明一实施例中的自选择阻变存储器对状态0(器件本身高阻态)的读取方法。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

一种具有挥发性低阻态的自选择阻变存储器，其结构如图1所示。器件底电极2’和阻变介质层3’分别为Pt和Ta₂O₅。传统的双极型阻变存储器结构通常一个电极采用活性材料如TiN，厚度约为100nm，起到在阻变介质中产生氧空位并且存储氧离子的作用。与传统阻变器件相比，本发明中器件结构的主要特点为活性电极(在本例中为顶电极4’)厚度较薄，约为20nm。较薄的顶电极会减少在介质中产生的氧空位，使得阻变过程中形成的导电细丝较细，容易因为阻值不稳定而发生断裂，形成挥发性低阻态。活性顶电极之上为较厚的Pt顶电极引出层5’，起到保护活性顶电极4’，提供电极引出的作用。

器件的顶电极4’和底电极2’示意图如图2所示。顶电极4’和底电极2’形成十字交叉型，即常见的crossbar结构。

本发明阻变存储器的工艺制备流程如下：

1)底电极制备：在衬底上淀积一层Pt，光刻形成底电极图形；

2)阻变薄膜制备：通过溅射方法形成Ta₂O₅薄膜；

3)顶电极和顶电极引出层制备：溅射制备并图形化顶电极和顶电极引出层，定义器件尺寸。

当采用较小的set/forming电流时，本发明的器件特性如图3所示。由于较薄的活性顶电极和较小的set/forming电流，导致形成的导电细丝较细。当器件发生set后，操作电压往0V扫描过程中，由于组成导电细丝的氧空位仍然会随机移动，从而使得导电细丝不稳定而发生断裂，导致电流下降到与高阻态接近的水平。在随后的reset过程中，器件首先发生反向的set，阻值重新回到低阻态；随着电压进一步增大，达到reset电压，电流下降回到高阻态。值得注意的是，挥发性低阻态形成的高阻态与器件本身的高阻态不同，前者在反向电压下能够发生反向set回到低阻态，而后者则不会。

将挥发性低阻态形成的高阻态与器件本身的高阻态作为两种存储状态，分别标记为状态1和状态0。通过适当的读取方法，则可以将其作为自选择器件直接使用在十字交叉阵列中，实现阻变存储器的大规模集成。采用1/2V_read的读取方法，其示意图如图4所示，则被选中器件上所加电压为V_read，该器件所在行和列上的其他器件所加电压为1/2V_read，阵列中的其他器件所加电压为0。将V_read的值选在器件发生反向set和reset的电压之间，同时保证1/2V_read的值小于发生反向set的电压，则那些与被选中器件处于同一行或列的器件由于仍然保持在状态0或状态1，器件的阻值均较高，所以能够抑制泄流电流。而对于被选中的器件，如果处在状态1，则会发生反向set，电流会突然增高，如图5所示；如果处在状态0，则仍然保持在高阻态，如图6所示。值得注意的是，对状态1的读取是破坏性的，之后需要进行reset和正向set加以恢复。总之，通过此方法，既可以很好地区分出两种状态，又能够抑制泄漏通道实现高密度阵列集成。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。