[发明专利]一种制作电阻随机存储单元阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制作电阻随机存储单元阵列的方法。

背景技术

近年来，便携式数字产品的功能越来越强大和复杂，相应地这类产品的市场也飞速地成长。数字产品强大的功能意味着这些产品具有强大的存储和处理大量数据的能力。这对数字产品的存储器提出了越来越高的要求，如非挥发、功耗低、读写速度快以及易高度集成等。遗憾的是目前市场上的存储器都无法同时具有上述的优点。比如广泛使用的闪存，由于写入速度较慢以及写入次数有限，将无法满足未来市场电子产品的需求，相应的前景也将会受到限制。为了满足未来数字产品的市场需求，国际各大公司都倾力研发下一代非挥发性存储器。Intel公司提出了下一代新型存储器的研发线路图，认为铁电随机存储(FeRAM)、磁电阻随机存储(MRAM)和相变存储(OUM)最有望成为下一代随机存储器。但随后夏普公司主导的复杂金属氧化物，如钙钛矿结构的镨钙锰氧(PCMO)电阻随机存储(RRAM)快速发展，正改变着这一研发线路图。

PCMO(Pr_1-xCa_xMnO₃ x＝0.3)是一种强关联氧化物，对PCMO薄膜施加不同电压脉冲后，薄膜的电阻发生巨大改变，如图1所示。薄膜的电阻有两个高低不同的稳定电阻态R_H和R_L，施加脉冲后，相应地处在一种电阻状态，而且这种阻态不会自发地衰退到另一种阻态。利用这些特性，这种材料就可以用于存储数据。如将R_H态记为0，R_L态记为1，要存储的数据是1，那么施加相应的电脉冲，使材料从R_H态转变入R_L态，就是一个写数据的过程，反之就是擦数据的过程，而施加一个小电压或小电流读取当前电阻状态就是读数据的过程。更重要的是，电阻状态不会自发地变化，意味着在关断存储器的电源后，每个存储单元中的数据仍不会改变或丢失，这就是通常所说的数据非挥发性。

RRAM的存储单元如图2a、图2b所示，上层1、下层3是金属电极，这些金属电极可以是Pt、Ag、Au等材料，中间层2是PCMO薄膜，厚约100nm，上层电极1与中间层2之间是金属保护层4，厚约20nm。对于这样一个存储单元，尽管R_H/R_L越大，电阻状态越容易区分，但基于读写速度和制作工艺方面的考虑，实际上并不需要非常大的R_H/R_L，当然也不是R_H越大或R_L越小越好。如果R_H/R_L值很大，意味着R_H很大或R_L很小。R_H很大，和电路中的弥散电容C结合后，RC延迟变大，这会降低擦写数据的速度。而R_L很小，那么相应读写数据时电流较大。对于微结构的存储器件，每个单元的电流一般不宜超过10微安，过大的电流会对器件造成损坏。尽管可以加入一些电路结构，降低电流，但除了同时增加电路的复杂性外，也同时使电路中的电容C增大，同样导致增大RC延迟，降低擦写速度。当然R_H/R_L也不能很小，对一定的电路，小的R_H/R_L意味着降低区分这两种状态的敏感度。一个初步的估算得出R_H/R_L在5-10，R_L的值在10KΩ到100KΩ，相应地R_H的值在100KΩ到1MΩ。