[发明专利]一次编程电阻随机存储单元、阵列、存储器及其操作方法

说明书

技术领域

本发明属于存储器技术领域，涉及一种采用金属氧化物作为存储电阻的一次编程电阻随机存储单元技术，尤其涉及一种包括2T2R结构的一次编程电阻随机存储单元、存储阵列、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。

对于熔丝和反熔丝型存储器，需要一个高电压来击穿电容绝缘层，在电击穿过程中会有高功耗的损失。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。

对于电荷俘获型存储器，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)，一般来说，用于制造这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(由于氧化层厚度变薄，发生软击穿的概率越大)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、镍的氧化物、钛的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铌的氧化物、钽的氧化物、铪的氧化物、钼的氧化物、锌的氧化物等)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。

现有技术公开了电阻存储单元的I-V特性曲线的示意图(图1)，其中，(a)是采用极性不同的电压进行高阻和低阻间转换情形，曲线101表示起始态为高阻的IV曲线，电压扫描方向如箭头所示，当电压从0开始向正向逐渐增大到V_T1时，电流会突然迅速增大，表明存储电阻从高阻突变成低阻状态，图中电流增大不是无限制的，而是受回路中电流限制元件的约束，到达最大值(以下称为钳制值)后不再随电压增加而增加。曲线100表示起始态为低阻的状态，当电压由0向负向逐渐增大到V_T2时，电流会突然迅速减小，表明存储电阻从低阻突变成高阻状态。高阻和低阻分别代表不同的数据状态，这种改变是多次可逆的，由此可实现数据存储；(b)是采用极性相同的电压来进行高阻和低阻转换的情形，曲线101和100分别表示采用正向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的过程，而103和102分别表示采用负向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的过程。

在图1中，典型的高阻向低阻的转变电流为几微安，低阻向高阻转变的电流为几十微安，比基于氧化层击穿效应的存储器要小的多。另一方面，转变的电压明显小于浮栅型结构的存储器，所以电阻随机存储器同时具有低功耗的优点。

现有技术还公开了Cu_xO电阻随机存储器的疲劳特性示意图(图2)，其中，Cu_xO电阻在高阻或电阻间来回转换的次数(以下称为可擦写次数)能达到600次左右，因此，Cu_xO电阻随机存储器具有多次编程能力。同样，镍的氧化物、钛的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铌的氧化物、钽的氧化物、铪的氧化物、钼的氧化物、锌的氧化物等金属氧化物也具有多次编程的能力。