[发明专利]一种采用电阻存储介质的一次编程存储器及其操作方法

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种一次编程存储器及其存储操作方法。

背景技术

非挥发存储器在断电时仍能保持所存储的数据，这使得非挥发存储器在各种不同类型的电子设备中有着及其广泛的应用。一次编程存储器(OTP)是常见的非挥发存储器中的一种，它通过字线和位线交叉的存储单元来存储逻辑信息，其中，常见的存储单元有熔丝、反熔丝和电荷俘获型器件(例如浮栅雪崩注入场效应管)。一次编程存储器一般是不可重复编程的。

一种一次编程存储器(OTP)的单元是利用电容中的二氧化硅层的击穿效应来存储数据。这种基本的存储可编程只读存储器将一个氧化物电容和一个突变二极管串联在一起来构成字线和位线的交叉单元。一个未被电击穿的电容表示存储逻辑“0”，而一个被电击穿的电容表示存储逻辑“1”。二氧化硅层有一个10C/cm2的击穿电荷阈值，当一个10V的电压加到一个10nm厚的电容绝缘层上，将产生一个1mA/cm2的电流流过。当加于10V电压时，需要一定的时间来编程一个存储单元。然而在电击穿过程中会有高功耗的损失，例如在1ms的时间内一个5V的电压来编程存储单元，那个在每平方厘米的电容绝缘层上将有50W的能量损失(10C*5V)。此外，由于器件一旦被击穿后不能被再进行编程和擦除操作，所以对器件的测试条件要求较高，测试时不能击穿器件，同时也不能对器件进行加速测试，所以测试所花费的时间也将较长，影响了产品的良率。

另一些非挥发存储器能够被重复地编程和擦除，包括可擦除可编程只读存储器(EPROM)和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，他们也可以被用做一次编程存储器。EPROM通过照射紫外光来进行擦除，通过加电压来进行编程；而EEPROM擦出和编程都是通过加不同的电压来完成的。EPROM和EEPROM具有相似的结构，也就是通常所说的浮栅型结构。浮栅型结构通过浮栅上注入和移除电荷来实现存储数据，浮栅上存储电荷的多少决定了器件的阈值电压Vt，根据阈值电压的不同来读出所存储的数据。

一般来说，用于制造各种类型的非挥发存储器的工艺制程要落后于先进的CMOS逻辑工艺。例如，用于快闪EEPROM的器件的工艺要比标准的先进CMOS工艺多加30％的掩膜步骤，以便制造高电压产生电路、浮栅结构、ONO层、三阱，以及在这些器件中一般具有的特殊的源和漏结所需的各种特殊的区域和结构。

据此，用于快闪结构的器件要落后于先进CMOS工艺一到两代，同时每个芯片的成本都要比后者贵30％。作为另一个例子，基于氧化层击穿效应的反熔丝器件的工艺必须适合于制作各种反熔丝结构和高电压电路，因此该工艺同样趋于比先进CMOS工艺落后一代。

随着工艺尺寸的缩小，上述的可编程只读存储器都会遇到瓶颈问题。例如，工业界普遍认为快闪存储器将遭遇物理极限瓶颈，FLASH的浮栅不能随技术代发展无限制减薄；而基于氧化层击穿效应的可编程只读存储器将遭遇软击穿的问题。

最近电阻随机存储器(resistive random access memory，简称为RRAM)因为其高密度、低成本、可突破技术代发展限制的特点引起高度关注，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、有机材料等。二元金属氧化物(如铜的氧化物、钛的氧化物、镍的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铌的氧化物、钽的氧化物等)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。