CN102867912A - 具有二极管整流能力的电阻式存储器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具二极管整流能力的电阻式存储器结构，其包括一第一电极、一第二电极与一电阻转换层。电阻转换层设置于第一电极与第二电极之间，且电阻转换层包括邻接于第一电极的一第一氧化绝缘层，邻接于第二电极的一第二氧化绝缘层，与设置于第一氧化绝缘层与第二氧化绝缘层之间的一能障调控层。能障调控层与第一氧化绝缘层之间，可由电压调控能障大小，进而改变电阻值，第二氧化绝缘层与能障调控层间，形成固定能障，使电阻式存储器元件兼具二极管整流功能。

Description

具有二极管整流能力的电阻式存储器

技术领域

本发明涉及一种电阻式存储器，特别是涉及通过电压调控能障而兼具有可变电阻特性与二极管整流特性的电阻式存储器。

背景技术

请参照图1A绘示现有技术的电阻式存储器使用于交点式存储器阵列示意图，图1B绘示现有技术的电阻式存储器的1T1R结构示意图，图1C绘示现有技术的电阻式存储器的1D1R结构示意图。

一般存储器常被制作形成存储器阵列结构。如图1A，当电阻式存储器应用于交点式阵列结构时，在读取一选取存储单元(selected cell)11的为off状态时，会因为目标存储单元周边的未选取存储单元(unselected cell)12处与导通状态的(图1A绘示的虚线)影响，导致误判选取存储单元11实际状态的情形，使得电阻式存储器无法被单独使用于读取存储单元的作业。

因此，电阻式存储器一般会将一电阻元件10搭配一晶体管(Transistor)13而形成图1B绘示的1T1R结构，或是将电阻元件10搭配一二极管(Diode)14而形成图1C绘示的1D1R结构，并将此类结构(1T1R或1D1R)结合于存储器阵列中。

发明内容

针对上述问题，本发明揭露一种具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，包括一第一电极、一第二电极与一电阻转换层。电阻转换层设置于第一电极与第二电极之间，且电阻转换层包括邻接于第一电极的一第一氧化绝缘层，邻接于第二电极的一第二氧化绝缘层，与设置于第一氧化绝缘层与第二氧化绝缘层之间的一能障调控层。能障调控层与第一氧化绝缘层之间形成一能障。能障调控层与第一氧化绝缘层之间，可由电压调控能障大小，进而改变电阻值，第二氧化绝缘层与能障调控层间，形成固定能障，使电阻式存储器元件兼具因此具整流功能。

附图说明

图1A为现有技术的电阻式存储器使用于交点式存储器阵列示意图；

图1B为现有技术的电阻式存储器的1T1R结构示意图；

图1C为现有技术的电阻式存储器的1D1R结构示意图；

图2为本发明实施例的电阻式存储器的存储单元结构示意图；

图3为本发明实施例的电阻式存储器的局部导通路径成形示意图；

图4为本发明实施例的电阻式存储器的可变电阻特性示意图；

图5为本发明实施例的电阻式存储器的可变电阻特性曲线图；

图6为本发明实施例的电阻式存储器的二极管特性示意图；

图7为本发明实施例的电阻式存储器的二极管特性曲线图；

图8为本发明实施例的电阻式存储器的I-V曲线与电压对反转次数曲线图；以及

图9为本发明实施例的电阻式存储器结合于存储器阵列示意图。

主要元件符号说明

[现有技术]

10    电阻元件

11    选取存储单元

12    未选取存储单元

13    晶体管

14    二极管

[本发明]

21    第一电极

22    第二电极

30    电阻转换层

31    第一氧化绝缘层

32    第二氧化绝缘层

33    能障调控层

34        局部导通路径

35        第一氧化绝缘层的氧离子

36        局部能障调控层

41        选取存储单元

42        未选取存储单元

e         电子

V_b        工作偏压

V_cut-in   切入电压

V_f        生成电压

具体实施方式

兹配合附图将本发明较佳实施例详细说明如下。

首先请参照图2绘示本发明实施例的电阻式存储器结构示意图。

此电阻式存储器的存储单元结构包括一第一电极21、一电阻转换层30与一第二电极22，电阻转换层30设置于第一电极21与第二电极22之间。电阻转换层30包括一第一氧化绝缘层31、一能障调控层与一第二氧化绝缘层32，能障调控层33设置于第一氧化绝缘层31与第二氧化绝缘层32之间。此例中，第一氧化绝缘层31被设置以邻接第一电极21，第二氧化绝缘层32被设置以邻接第二电极22。

其中，第一电极21可为任意导体或是半导体，其包括如铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、钨(W)、钌(Ru)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)或硅(Si)等导电材质。第二电极22为具砷(As)离子的硅基材(N+Si)，或是为任意导体或是半导体，其包括如铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、钨(W)、钌(Ru)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)或硅(Si)等导电材质。

第一氧化绝缘层31包括的氧化物材质包括硅(Si)、铪(Hf)、铝(Al)、锆(Zr)、铌(Nb)、钛(Ti)、钽(Ta)与镧(La)的氧化物，例如SiO₂、HfO₂、Al2O₃、ZrO、NbO、TiO、NiO、TaO、LaO等为化学计量比的氧化物，或其它相似的氧化物，并不以上述氧化物为限。而第二氧化绝缘层32可采用与第一氧化绝缘层31相同元素的氧化物，或是依据设计人员的需求而使用相异元素的氧化物。

能障调控层33采用符合化学计量比的氮硅化合物层，其具有能隙且可通过氧的比例增加而增加能隙，此氮硅化合物层更包括硅(Si)、锗(Ge)、氮锗化合物GeN(GeN氮锗化合物)等，或金属过量的金属氧化物。此例以氮化硅(Si₃N₄)为例，但不以此为限，依设计人员的设计需求而定。

依据前述的电阻转换层30结构，能障调控层33会与第一氧化绝缘层31之间形成一能障而与第二氧化绝缘层32形成固定的能障。

在此说明，文中的能障所指的是对于电子传输时所看到能障，并非是指分子间结合的能障不同。其中，一工作偏压(V_b)跨接于第一电极21与第二电极22时，电阻转换层30会依据电压的极性而呈现一可变电阻特性或一二极管特性。当电阻转换层30呈现可变电阻特性时，可经由能障调控层33与第一氧化绝缘层31相互反应来调节前述的能障，进而调整整个电阻式存储器的电阻值。以下各别说明电阻式存储器的进行生成过程(FormingProcess)的活化，及可变电阻特性及二极管特性的运作情形。

请参照图3绘示本发明实施例的电阻式存储器的进行生成过程的局部导通路径成形示意图。

一生成电压(V_f)跨接于第一电极21与第二电极22，如第二电极22接地，第一电极21施加负30伏特(-30V)。造成第一氧化绝缘层的软崩溃，形成一局部导通路径34，其中第一氧化绝缘层31的氧离子键结(O-2)35会被打断，可与能障调控层33的元素(Si及N)进行反应，形成局部能障调控层(SiONx)36。

请参照图4绘示本发明实施例的电阻式存储器的可变电阻特性运作示意图，请同时参阅图3、以及图5绘示本发明实施例的电阻式存储器的可变电阻特性曲线图以利于了解。

当一工作偏压V_b跨接于第一电极21与第二电极22时，在此工作偏压V_b以负电压为例。第一氧化绝缘层31的氧离子35，在适当的电场条件与局部导通路径34的协助下，可于第一氧化绝缘层31与能障调控层33两者的局部界面上，与能障调控层33的元素进行结合反应(即(SiONx)的形成)，而局部能障调控层36中，Si3N4形成SiONx中氧的含量，会影响能障的大小，进而造成第一氧化绝缘层31与能障调控层33之间于受电前后的能障差异。但第二氧化绝缘层32与能障调控层33之间的能障会固定不变。

也就是说，能障的大小是受控于第一氧化绝缘层31的氧离子与能障调控层33的元素的结合/脱离反应强度，然而结合/脱离反应强度受控于负/正电压的电压值。如此，通过能障的改变即可调整电阻式存储器的电阻值，进而使用于数据存储作业。

请参照图6绘示本发明实施例的电阻式存储器的二极管特性示意图，请同时参阅图7绘示本发明实施例的电阻式存储器的二极管特性曲线图以利于了解。

当一工作偏压V_b跨接于第一电极21与第二电极22时，在此工作偏压V_b以正电压为例。电子e的流动方向依序为第二电极22、第二氧化绝缘层32、能障调控层33、第一氧化绝缘层31与第一电极21。

然而，电子e移动所需要克服的能量问题有二，一为第二氧化绝缘层32与第二电极22之间的能障，一为能障调控层33与第二电极22之间的导电带能量差。也就是说，工作偏压V_b虽带给电子e更多的能量，但电子e带有的能量必须等于或高于上述导电带能量差，才有机会能穿遂过第二氧化绝缘层32，以达到第一电极21。换句话说，一旦电子e带有的能量小于上述导电带能量差时，电阻式存储器内的电流流量将受到限制。此种工作模式即为二极管的整流机制，而能使电子的能量到达导电带能量差以上的工作偏压，即为二电阻式存储器呈现二极管特性时的切入电压(图7与图8绘示的V_cut-in)。

请参阅图8绘示本发明实施例的电阻式存储器的I-V曲线与电压对反转次数曲线图，与图9绘示本发明实施例的电阻式存储器结合于存储器阵列示意图。请同时配合图2至图7以利于了解。

如图8得知，写入数据与抹除数据用的工作偏压分别集中于＞10V及＜-10V，读取存储数据范围0～-5V而整流用的工作偏压集中于0V～8V之间。

假设依据图9绘示的工作偏压供给方式，当目标存储单元41为off状态，目标存储单元41周边的未选取存储单元42为on状态时，会引发误判的电流(图9绘示的虚线)，其会被状态为on且呈现二极管特性的某一个未选取存储单元42所整流，用于消除反向电流，故不会影响读取选取存储单元41实际状态的作业。

综上所述，仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明权利要求文义相符，或依本发明专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (13)

1.一种具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，包括：

第一电极；

第二电极；以及

电阻转换层，设置于该第一电极与该第二电极之间，该电阻转换层包括：

第一氧化绝缘层，邻接于该第一电极；

第二氧化绝缘层，邻接于该第二电极；及

能障调控层，设置于该第一氧化绝缘层与该第二氧化绝缘层之间，并与该第一氧化绝缘层之间形成一能障，与该第二氧化绝缘层之间形成一固定能障，

其中，一工作偏压自该第一电极跨接至该第二电极时，该电阻转换层呈现一经由该能障调控层与该第一氧化绝缘层相互反应以调节该能障的可变电阻特性，与由该固定能障调节电流的一二极管特性。

2.如权利要求1所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该工作偏压为一负/正电压时，该该第一氧化绝缘层与该能障调控层之间的该能障受控变化而呈现该可变电阻特性。

3.如权利要求2所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该能障受控于该第一氧化绝缘层的氧离子与该能障调控层的元素的结合反应，该结合/脱离反应的强度受控于该负/正电压的电压值。

4.如权利要求1所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该工作偏压为一正电压时，该第二氧化绝缘层与该能障调控层之间的该固定能障用以调节电流而呈现该二极管特性。

5.如权利要求4所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中当一电子的能量大于该能障调控层与该第二电极之间的导电带能量差时，该电子得以自该第二电极穿隧过该第二氧化绝缘层，经由该电阻转换层以移动至该第一电极。

6.如权利要求1所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该第一电极包括铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、钨(W)、钌(Ru)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)或硅(Si)

7.如权利要求1所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该第二电极为具砷(As)离子的硅基材(N+Si)，或是包括铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、钨(W)、钌(Ru)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)或硅(Si)。

8.如权利要求1所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该第一氧化绝缘层与该第二氧化绝缘层为化学计量比的氧化物层。

9.如权利要求8所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该第一氧化绝缘层选自硅(Si)、铪(Hf)、铝(Al)、锆(Zr)、铌(Nb)、钛(Ti)、钽(Ta)与镧(La)的氧化物所组成的群组。

10.如权利要求8所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该第二氧化绝缘层与该第一氧化绝缘层采用相同元素的氧化物。

11.如权利要求8所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该第二氧化绝缘层与该第一氧化绝缘层采用相异元素的氧化物。

12.如权利要求1所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该能障调控层为化学计量比的氮硅化合物层，其具有能隙且通过氧的比例增加而增加该能隙，该氮硅化合物层还包括硅(Si)、锗(Ge)、氮锗化合物(GeN)或金属过量的金属氧化物。

13.如权利要求1所述的具有二极管整流能力的电阻式存储器结构，其中该能障调控层包括氮化硅(Si₃N₄)。

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