[发明专利]低功耗电阻式随机存储器的存储单元及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于分子插层技术的低功耗电阻式随机存储器的多层膜单元及其制备方法。

背景技术

随着信息科技的飞速发展，研制开发高速度、大容量永久存储器成为推动数字技术快速发展的必要条件。电阻式随机存储器（RRAM）是指在外电场作用下，利用存储单元高低电阻态来实现数据存储的一种新型存储器。RRAM器件基本结构由金属电极/氧化物薄膜/金属电极（MOM）组成，在RRAM存储过程中，利用可编程电压来驱动RRAM器件中超高密度纵横闩阵列中的氧空位迁移，从而以非挥发方式改变位元单元的阻值。RRAM以其结构简单、存储密度高、读写速度快等优点等优势，在下一代非易失性存储器中脱颖而出，并已成为当前材料学、微电子学、物理学等研究领域的热点。最重要的是，RRAM器件显示出非常可观的微缩化潜力。据报道，M.Kund等人通过在W底电极上淀积惰性Si₃N₄，刻蚀出直径为20nm的通孔后依次填充W、GeSe介质层和Ag顶电极的方法制备出20nm的RRAM器件（参见对比文件1），从而提供了RRAM器件单元突破20nm的可能性，这也使得RRAM在众多的NVM器件中更加具有吸引力。

高密度是存储器追求的一个重要指标，三维化设计是实现高密度的重要手段。目前在RRAM器件研制中目前还存在很多问题，尤其是，在RRAM单元结构的3D集成中，当阵列很大或者多层阵列堆叠时，三维交叉堆叠器件中的漏电通道将大量出现，导致RRAM存储结构的误读现象严重，目前的解决方式往往带来增加设计复杂度和成本、丧失RRAM可缩小性优势、操作电压增加、重复性变差等问题。此外，RRAM器件中的复位电流偏大带来的功耗较高也阻碍了电阻存储器的实际应用。

图1示出已经报道的传统电阻存储单元结构图（参见对比文件2），它采用了金属电极-电阻存储薄膜-金属电极（MIM）三明治结构。其中1是金属底电极，2是电阻存储薄膜，3是金属顶电极，三者共同组成存储单元。图2是电阻存储单元的I-V特性曲线的示意图（参见对比文件2），电压扫描方向如箭头所示。曲线101为初始态为高阻态的IV曲线，当电压由0增大到V_T1时，电流突然迅速增大，存储电阻由高阻态突变到低阻态；曲线100为初始态为低阻态的IV曲线，当电压由0增大到V_T2时，电流突然迅速增大，存储电阻由低阻态突变到高阻态。通常称从高阻态转换为低阻态的操作为置位（set）操作，从低阻态转换为高阻态的操作为复位（reset）操作。在RRAM器件使用中，reset操作电流将达到0.01A数量级。由于低阻态电阻值很低（约几十欧姆），在此时存储状态的读电流将达到mA数量级。因此，根据功耗公式P=I²R，复位电流大将带来大的功耗，这将成为电阻存储技术发展的瓶颈之一。找到一种降低电阻存储器复位电流的方法，具有很大的实际应用意义。

图3是三星电子申请专利的一种RRAM结构（参见对比文件3），它与传统的MIM三明治结构的不同之处在于：在电阻存储薄膜与上电极之间增加了一个电流控制层。如图3所示，1是底电极，2是电阻存储薄膜，3是顶电极，4是电流控制层。电流控制层4的电阻范围在大约10欧姆到10k欧姆。通过电流控制层提高介电性能，可以使RRAM单元的低阻态电阻升高，从而可以降低低阻态的电流值，根据功耗公式P=I²R，电流明显降低，电阻部分增大，整体电阻存储单元的读或写的功耗可以得到降低。其电流控制层的成分可以是过渡金属元素掺杂ZnO_x及RuO_x、过渡金属氧化物、掺杂Al和In的ZnO_x和RuO_x、金属掺杂的SiO₂和ZrO₂。但是在实际电阻存储器的制作过程中，图3所示结构中的电流控制层是通过CVD或者溅射等方法形成的，过渡金属元素的氧化物和多元掺杂的金属氧化物形成过程相当复杂，尤其是金属掺杂氧化物，在常规集成电路制作方法中其薄膜成分比例控制较难，而且过渡金属元素对于CMOS集成电路工艺设备具有一定的污染性。

研究表明，具有电阻转变效应的材料种类繁多，其中很多材料具有层状结构，包括V₂O₅等氧化物以及Sb₃₅Te₆₅等硫族化物和一些超导体系的材料（参见对比文件4）。插层复合材料借助层状化合物和插入其分子层间的异质物质（原子、分子或离子）构成层状或层柱状化学物质。由于插层反应发生在分子层间，这种结构可以被用在纳米量级存储阵列的制作中。