[发明专利]叠层电容型阻变存储单元结构及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子器件的设计和制造领域，特别涉及一种叠层电容型阻变存储单元结构及其操作方法。

背景技术

阻变存储器（Resistive Random Access Memory，RRAM）是一种近十年来飞速发展的非挥发性存储器，具有非常广泛的市场需求。该类存储器的器件单元通常为MIM（金属-绝缘层-金属）结构，其制造方法简单且与CMOS技术高度兼容，数据存储容量大密度高，操作速度快且可靠性高，是公认的未来可以取代传统机械硬盘、NAND Flash型存储器的非挥发存储器之一。

近年来，国内外对RRAM的研究报道和测试芯片产品不断涌现，但RRAM始终在操作上存在一个技术难题：擦除reset时的电流过大。图1为一个典型的RRAM单元器件在操作（包括编程set和擦除reset）时的I-V曲线图，包括了所有四种的操作模式，即单极性（unipolar）的两种和双极性（bipolar）的两种。图中电流从小到大的过程为set，此时存储介质从接近绝缘的高阻态转变到低阻态；反之电流从大回到小的过程为reset，电阻也相应从低阻回到高阻。从图中可以发现，reset的电流为mA级别，这在由该存储单元形成的高密度阵列中，会形成很大的总电流，势必引起整个阵列的高功率和散热等诸多问题。目前针对这一问题，一种方法是从材料入手，通过制备中的特殊工艺等方法调节低阻态电阻，使低阻变大从而减小reset电流，但是这种方法往往需要增加工艺生产中的难度；另一方法是通过外围增加限流电路（如串联一个电阻）来控制电流，不过这势必会增加芯片版图面积，使有效的存储阵列面积减小，不利于低成本高密度的存储发展趋势。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的reset电流过大的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种reset电流小的叠层电容型阻变存储单元结构及其操作方法。

根据本发明实施例的叠层电容型阻变存储单元结构，包括：绝缘衬底；形成在所述绝缘衬底之上的下电极；形成在所述下电极之上的电容介质层；形成在所述电容介质层之上的中间电极；形成在所述中间电极之上的阻变存储介质层；以及形成在所述阻变存储介质层之上的上电极。

本发明实施例的叠层电容型阻变存储单元结构，至少具有如下优点：（1）结构简单，可以通过半导体领域成熟的工艺制造，兼容性高，适合大批量生产，成本较低；（2）通过引入的叠层电容结构，能够有效的改善传统RRAM在擦除操作中的大电流问题，具有良好的存储性能和高密度集成潜力。

另外，根据本发明上述实施例的叠层电容型阻变存储单元结构还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述电容介质层的材料为HfO₂、Al₂O₃或SiO₂中的一种或多种的组合。

在本发明的一个实施例中，所述阻变存储介质层的材料为Nb₂O₅、Ta₂O₅、TiO₂、HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、La₂O₅、Si₃N₄、LaAlO₃、ZrSiO₄或HfSiO₄中的一种或多种的组合。

在本发明的一个实施例中，所述下电极、中间电极和上电极的材料分别为Al、Pt、Cu、Ag、TiN或ITO中的一种或多种的组合。

在本发明的一个实施例中，所述电容介质层的厚度为5-100nm。

在本发明的一个实施例中，所述阻变存储介质层的厚度为5-100nm。

在本发明的一个实施例中，所述下电极、中间电极和上电极的厚度分别为30-500nm。

根据本发明实施例的叠层电容型阻变存储单元结构的操作方法，所述叠层电容型阻变存储单元结构为上述任一种叠层电容型阻变存储单元结构，当操作为初始化操作时，对所述上电极加初始化电压，所述中间电极和所述下电极接地，其中，所述初始化电压的正负号由所述上电极和所述阻变存储介质层的材料组合决定；当操作为编程操作时，对所述上电极加编程电压，所述中间电极和所述下电极接地，其中所述编程电压与所述初始化电压正负号一致，所述编程电压的绝对值小于所述初始化电压的绝对值。