CN102142516A - 具有自选择抗串扰功能的阻变存储器及交叉阵列存储电路 - Google Patents

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高滨
陈冰
张飞飞
刘力锋
刘晓彦
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韩汝琦
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本发明公开了一种具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，包括：上电极、下电极，以及位于所述上电极和下电极之间的阻变层，其中，所述阻变层包括具有阻变特性的氧化物材料。本发明还提供了一种包括上述阻变存储器的交叉阵列存储电路。本发明采用具有阻变特性的氧化物材料作为存储介质，从而利用在阻变层和电极之间形成整流特性来实现了存储器的自选择抗串扰功能，由于不需要引入额外的选择器件，这种1R存储单元在高密度集成和功耗上都具有明显的优势，即，能够简化工艺步骤，降低电路功耗和提高阻变存储器集成密度，从而能够满足交叉阵列存储电路的需求。

Description

具有自选择抗串扰功能的阻变存储器及交叉阵列存储电路
技术领域
本发明涉及半导体集成电路技术领域，特别涉及一种具有自选择抗串扰功能的阻变存储器(Resistive Random Access Memories，RRAM)。
背景技术
微电子工业的发展推动着存储器技术的不断进步。非挥发性存储器具有在无电源供应时仍能保持数据信息的优点，在信息存储领域具有非常重要的地位。阻变存储器RRAM是一种通过控制器件电阻的变化来实现信息存储的新型非挥发性存储器。这种存储器具有高速度(＜5ns)、低功耗(＜1V)、高存储密度、易于集成等优点，是下一代半导体存储器的强有力竞争者。这种RRAM一般具有M-I-M(Metal-Insulator-Metal，金属-绝缘体-金属)结构，即在两层金属电极之间加入一层具有阻变特性的介质薄膜材料。这些阻变材料一般是过渡金属氧化物，常见的有NiO、TiO2、HfO2、ZrO2、ZnO等等。阻变存储器的工作方式包括单极和双极两种，前者在器件两端施加单一极性的电压，利用外加电压大小的不同来控制阻变材料的电阻值在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除；而后者是利用施加不同极性的电压来控制阻变材料电阻值的转换。通常的阻变器件开始工作需要一个初始化过程(forming)，习惯上转变中的两个稳定状态为高阻态和低阻态，由高阻态到低阻态的转变为写入操作(SET)，由低阻态到高阻态的转变为擦除操作(RESET)。
交叉阵列存储电路结构如图1所示，包括上面的字线(WL)、下面的位线(BL)和中间的存储单元，图1中N指字线和位线的数目，Vread为读取信号。在读取所选器件(位于施加读取信号的字线和位线交叉处)的电流时，由于受叉阵列中其他旁路的影响，会产生读串扰。图1中箭头所示为施加如图1中读取信号时，其中的某一个串扰通路，整个阵列中串扰通路有(N-1)2个。为解决交叉阵列中的读写操作串扰问题，通常需要采用1T-1R或者1D-1R的存储单元结构。1T-1R是指存储单元由一个选通晶体管和一个阻变器件组成，要向指定的单元读写数据，需要依靠相应的晶体管控制。1D-1R是指存储单元由一个选通二极管和一个阻变器件组成，通过选通二极管来控制具体选择的操作单元。然而使用额外的选择器件的集成方案都还存在着一定问题，制约了阻变存储器技术的发展。比如在1T-1R结构中选通晶体管占用了存储单元的绝大部分面积，这严重的影响了存储电路集成密度的进一步提高；而1D-1R结构虽然可以像1R单元一样实现等比例缩小，但是由于阻变存储器本征的RESET电流较大，导致选通二极管随着面积的缩小提供的电流将不足以驱动阻变器件，同时二极管上消耗的功耗也会增加，这些不利因素也制约了基于1D-1R结构交叉阵列存储电路集成技术的发展。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计出一种能够在交叉阵列存储电路中具有抗串扰功能的1R存储单元，并降低电路功耗和提高阻变存储器集成密度。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，包括：上电极、下电极，以及位于所述上电极和下电极之间的阻变层，其中，所述阻变层包括具有阻变特性的氧化物材料。
其中，所述上电极为金属材料。
其中，所述金属材料包括Pt、W、Ag、In、Ti、TiN中的一种或任意几种的组合。
其中，所述下电极为n型半导体材料。
优选地，所述n型半导体材料为Nb-SrTiO3。
其中，所述氧化物材料包括Pr0.7Ca0.3MnO3、La1-xCaxMnO3、ZrO2、HfO2、MnO2、TiO2和NiO中的一种或任意几种的组合。
其中，所述阻变层还包括具有离子掺杂的氧化物材料。
其中，所述具有离子掺杂的氧化物材料中掺杂的元素包括Al、Gd、La、Sr、Ti中的一种或任意几种的组合。
其中，所述阻变存储器还包括位于所述下电极下层的金属层。
本发明还提供了一种包括上述阻变存储器的交叉阵列存储电路。
(三)有益效果
本发明采用具有阻变特性的氧化物材料作为存储介质(即阻变层)，从而利用在阻变层和电极之间形成整流特性来实现了存储器的自选择抗串扰功能，由于不需要引入额外的选择器件，这种1R存储单元在高密度集成和功耗上都具有明显的优势，即能够简化工艺步骤，降低电路功耗和提高阻变存储器集成密度，从而能够满足交叉阵列存储电路的需求。
附图说明
图1为现有交叉阵列存储电路中对选定单元读取时串扰问题的示意图；
图2为本发明提出的自选择抗串扰阻变存储器的结构示意图及其使用示意；
图3为本发明提出的自选择抗串扰阻变存储器的典型电阻转变I-V曲线图；
图4为本发明器件的阻变行为特性图；
图5为本发明阻变存储器在交叉阵列存储电路中自选择抗串扰功能的图示。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的目的是提供一种能够应用于交叉阵列存储电路中具有自选择抗串扰功能的双极阻变存储器。这种器件采用具有阻变特性的氧化物材料作为存储介质(也就是阻变层)，利用阻变层和电极之间形成整流特性来实现器件的自选择抗串扰功能。结构如图2所示(金属-阻变氧化物-Nb-SrTiO3-金属)，包括上电极2、阻变层3、下电极4和金属层5。上电极2为金属型材料Pt、W、Ag、In、Ti、TiN等，下电极4为n型半导体材料掺铌钛酸锶(Nb-SrTiO3)，中间的阻变层3为具有阻变特性的氧化物材料以及具有离子掺杂的氧化物材料，其中氧化物材料包括Pr0.7Ca0.3MnO3、La1-xCaxMnO3、ZrO2、HfO2、MnO2、TiO2、NiO，掺杂元素包括Al、Gd、La、Sr、Ti等。上述中间的阻变层为20nm～200nm厚的氧化物薄膜。图2中的“V”代表电压。
本发明的制备过程中，可以在n型半导体Nb-SrTiO3衬底(掺杂浓度0.7％)上用激光脉冲沉积(PLD)方法生长100nm厚的Pr0.7Ca0.3MnO3薄膜，制备条件为780摄氏度和30Pa氧压。制备完成后器件经过后退火处理，目的是为了获得更好的异质界面。金属In被用来作为上电极，隔离成面积小于50×50um的单元，下电极Nb-SrTiO3也通过金属In引出，完成整个器件制备。
本发明的一个实施例RRAM器件的电流-电压特性曲线如图3所示，器件经过forming初始化过程后能够表现出典型的双极阻变行为。并且值得注意的是高阻态和低阻态都具有整流特性IV曲线，这使得正向导通后，高低阻态的电流都能达到100μA量级，而反向截止电流都在10μA以下。如图4所示，同样的读电压下，高低阻态的正向开启电流都要远大于反向截止电流。在读取信号为±0.5V的情况下，反向读电压得到的低阻态(RLrv)比正向读电压得到的低阻态(RLfd)高50倍以上；当读电压为正负1V时，RLrv/RLfd比值达到1000倍以上。将正常工作的读电压信号定义为正向导通方向，这种整流的器件特性将有效的抑制交叉阵列存储电路中串扰问题，使得阵列最大可集成的字线(或位线)数N增大。图5示出了运用本发明中阻变器件结构的交叉阵列存储电路的抗串扰功能。根据本发明的RRAM器件测量的电流-电压曲线提取的参数估计，本发明实施例的阻变存储器能够保证在64×64的交叉阵列中，在最大串扰的情况下读取信号也不发生交叠，实现自选择抗串扰功能。图3、4中的LRS表示低阻态的电流-电压曲线；HRS表示高阻态的电流-电压曲线。图5示出了高阻态和低阻态读取电流随阵列字线数N的变化关系，图5中高低阻电流不发生交叠的最大交叉阵列尺寸Nmax为76。
另外，本发明利用n型半导体材料Nb-SrTiO3作为下电极，和氧化物材料阻变层之间形成肖特基势垒，图3表明在高阻态和低阻态都获得了整流特性的I-V曲线。该整流特性使得在相同大小的读电压下，器件在反向读电压下的电阻值比正向情况要高三个数量级，因此定义正向为正常工作的读电压方向。而在交叉阵列存储电路中串扰回路都存在与所选择器件方向反向的器件，因此当正常读电压定义为正向时，这种结构的阻变存储器将具有自选择抗串扰的功能。
本发明还提供了一种包括上述阻变存储器的交叉阵列存储电路。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，包括：上电极、下电极，以及位于所述上电极和下电极之间的阻变层，其中，所述阻变层包括具有阻变特性的氧化物材料。
2.如权利要求1所述的具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，所述上电极为金属材料。
3.如权利要求2所述的具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，所述金属材料包括Pt、W、Ag、In、Ti、TiN中的一种或任意几种的组合。
4.如权利要求1所述的具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，所述下电极为n型半导体材料。
5.如权利要求4所述的具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，所述n型半导体材料为Nb-SrTiO3。
6.如权利要求1所述的具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，所述氧化物材料包括Pr0.7Ca0.3MnO3、La1-xCaxMnO3、ZrO2、HfO2、MnO2、TiO2和NiO中的一种或任意几种的组合。
7.如权利要求1所述的具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，所述阻变层还包括具有离子掺杂的氧化物材料。
8.如权利要求7所述的具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，所述具有离子掺杂的氧化物材料中掺杂的元素包括Al、Gd、La、Sr、Ti中的一种或任意几种的组合。
9.如权利要求1所述的具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器还包括位于所述下电极下层的金属层。
10.一种包括权利要求1～9中任一项阻变存储器的交叉阵列存储电路。
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