[发明专利]阻变型随机存储单元、存储器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子行业存储器技术领域，尤其涉及一种能够形成金属性导电通道的阻变型随机存储单元和存储器。

背景技术

存储器是一类重要的半导体器件，随着便携式电子设备的不断发展，非易失性存储器在整个存储器市场中所占的份额越来越大，其中90％以上的份额被闪存(Flash)占据。但是，传统Flash存储器是基于多晶硅薄膜浮栅结构的硅基非挥发性存储器，而这种结构正面临着如何持续缩小的挑战，有报道预测Flash技术的极限在32nm左右，这使得基于电阻变化进行数据存储的电阻式非易失随机存取存储器件(Resistive Random Access Memory，简称RRAM)受到广泛的关注。

电阻转变存储技术是以薄膜材料的电阻在电压或电流的激励下可以在两个或多个状态之间实现可逆转换的现象作为其工作基础。目前，报道的具有电阻转变特性的薄膜材料有：(1)有机材料，如聚酰亚胺(PI)、聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)以及铜的四氰基苯醌对二甲烷(CuTCNQ)等；(2)多元金属氧化物，如磁阻材料Pr_0.7Ca_0.3MnO₃和La_0.7Ca_0.3MnO₃等，掺杂的SrTiO₃和SrZrO₃等；(3)二元过渡族金属氧化物，如NiO、Nb₂O₅、CuO_x、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂等；(4)固态电解液材料，如CuS，AgS，AgGeSe等。

将固态电解液薄膜淀积在惰性金属和易氧化金属之间构成金属-绝缘层-金属(M-I-M)的三明治结构，可以形成一类较为重要的电阻式非易失存储器件，通常被称为PMC(Programmable Metallization Cell Memory)或CBRAM(Conductive Bridging Random Access Memory)。这类存储器的电阻转变机理较为清晰，其原理是易氧化的阳极电极(如Cu、Ag等)在电脉冲的作用下生成大量的Cu⁺或Ag⁺，这些金属离子在电场的驱动下通过固态电解液材料向惰性金属(如Pt、W等)构成的阴极移动，金属离子在阴极附近得到电子形成金属原子，这些金属原子沉积在阴极电极上并向阳极生长，最终形成连接阴极和阳极的金属性导电细丝，使得材料的电阻发生突变。在一次编程操作中，也可能会在固态电解液中形成多根导电细丝。最近，有文献报道ZrO₂，HfO₂，ZnO，TaO_x，SiO₂，WO_x等二元氧化物也具有固态电解液的类似性质，因此，也可由电化学反应来形成金属性的导电通道，从而发生电阻转变现象。

上述能够形成金属性导电通道的阻变存储器具有低功耗、高速、多值存储等优势，因此受到广泛的关注。图1为本发明现有技术基于固态电解液材料体系的阻变型随机存储器中导电细丝形成的示意图。由图1可知，由于导电细丝形成过程是一个随机的过程，因此在重复转变过程中，导电细丝很难沿着相同的路径进行生长和破灭，造成了器件的编程电压具有很大的离散性(Y.C.Yang，F.Pan，Q.Liu，M.Liu，and F.Zeng，Nano Lett.9，1636，2009)。因此，如何对导电细丝的形成过程进行控制是提高器件均匀性和稳定性的关键。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术能够形成金属性导电通道的阻变型随机存储方式存在如下缺陷：缺乏对导电细丝的控制，造成器件的编程电压具有很大的离散性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述缺陷，本发明提供了一种阻变型随机存储单元、存储器及制备方法，以提高其对导电细丝的控制，减小器件编程电压的离散性。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种阻变型随机存储单元。该存储单元自下至上包括：下导电电极、能够形成金属性导电通道的阻变存储层、上导电电极和控制电极。其中：该控制电极，为导电材料形成的锥形凸起，形成于下导电电极与阻变存储层之间，与下导电电极一体成型或紧密结合。

优选地，本发明阻变型随机存储单元中，控制电极为圆锥形。