[发明专利]电阻型随机存取存储器单元

说明书

技术领域

本发明通常涉及电阻型随机存取存储器单元。

背景技术

电阻型随机存取存储器(RRAM)是基本存储单元(“单元(cell)”)包括位于一对电极之间的RRAM材料的非易失性存储器技术。这些单元中的RRAM材料是通常对电流呈现高电阻的电绝缘基质(matrix)。然而，由于RRAM基质或者基质和电极材料的组合的性质，RRAM单元的特殊性质是可以通过向电极施加适当的电压来在高电阻基质内形成电传导路径。该传导路径在电极之间的方向上经由基质延伸。在该路径连接两个电极的情况下，存储器单元的电阻急剧下降，从而使该单元保持处于低电阻“置位(SET)”状态。通过向这些电极施加另一“复位(RESET)”电压，传导路径可能被断开或者消失，从而使该单元恢复为高电阻RESET状态。因而，通过在数据写操作中适当地施加SET脉冲和RESET脉冲，可以将各单元编程为具有可测量的不同电阻值的两个状态其中之一，从而允许每单元存储1位的信息。可以使用单元电阻作为单元状态的度量(metric)来在读操作中确定编程后单元状态。在将读电压施加于电极时，流经单元的电流依赖于单元的电阻，由此可以测量出单元电流以确定单元状态。读电压大大低于编程所使用的写电压，使得读操作不会干扰编程后单元状态。

在RRAM单元中可以利用多种不同的机制来形成传导路径。在附图1a～1c中针对不同的RRAM单元类型示意性示出该情况。图1a示出金属离子从活性(active)电极(这里为银)经由提供电极之间的绝缘基质的高电阻离子传导层向着去活性(inactive)电极(这里为铂)的迁移。由此得到的金属丝提供了电传导桥RRAM单元这种类型的电传导路径。图1b示出氧化物RRAM和金属氧化物RRAM中的电传导路径形成。这里分别利用由于氧离子在绝缘基质中的迁移所引起的氧空位(vacancy)或者金属沉积物来形成该路径。图1c示出在碳RRAM单元的例如分别为铜和钛氮化物的顶电极和底电极之间所设置的非晶碳基质中利用石墨烯(sp²)簇的传导路径形成。在各情况中，单元电阻随着穿过绝缘基质的传导路径长度的增加而减小。通常，这里的路径“长度”指相对于基质中传导路径的具体配置的有效路径长度。传导路径的性质及其配置可能因被用作RRAM器件中的路径形成的物理机制的多样性而不同，但是不同的配置相当于传导路径的不同有效长度。如果路径是分段的而不是连续的，并且因此由两个或者更多个分离的部分形成，这里使用的路径“长度”可以因此对应于合计长度。根据单元类型，复位单元状态可以对应于路径形成机构完全分解、彻底消除路径、或者导致路径中的空隙(gap)或者不连续的仅部分分解。

存在与传统RRAM工艺相关的许多问题。在置位状态和复位状态之间的切换为双状态(或者称为“单电平”(single-level))RRAM单元提供了有效操作。然而，“多电平”RRAM单元(即可具有s>2个可编程状态的单元)的实现面临挑战。多电平操作需要使用两个或者更多个“高电阻”编程状态，其中传导路径有不同长度但不完全桥接RRAM基质。附图的图2示意性地示出这两种状态。传导路径的电阻率和绝缘基质的电阻率有几个数量级的差异。因此，采用标准感知方案区分这样不同的高电阻状态是非常困难的，因为在高带宽处很难感知非常高的电阻值。此外，RRAM单元的传输特性复杂且仍然没有被完全理解，因而很难以必要的精度预测可靠的多电平工作的工作特性。此外，RRAM基质材料的电阻受制于从一个单元到另外一个单元的变化和受制于如低频噪声和漂移效应。电阻漂移引起给定单元的绝缘基质的电阻阻值随时间增加。这些效应导致针对高电阻单元状态的读取测量结果随时间随机变化，进一步使单元状态的检测在读回(readback)方面的任务更为复杂。

另一问题是在许多RRAM工艺中复位电流仍然非常大。可以通过减小绝缘基质的体积或者增加绝缘基质的电阻率来降低复位电流。然而，这些措施将通过增加高电阻单元状态的电阻使上面讨论的问题更加严重。利用合理的感知带宽感知这些状态的电阻值将变得更加困难。

另一潜在问题是所谓的“热干扰”。随着低工艺节点的尺寸减小，在向着一个RRAM单元写入期间产生的热可能干扰邻近存储器单元的编程状态。