[发明专利]侧壁式存储器单元

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2013年3月13日申请的第61/780,249号美国临时申请案的权益，所述申请案全文并入本文中。

技术领域

本发明涉及可编程存储器单元，例如，涉及具有侧壁式配置的非易失性存储器单元(例如，桥接随机存取(CBRAM)存储器单元、基于氧空位的电阻性RAM(ReRAM)单元及相变存储器(PCM)单元)。

背景技术

例如导电桥接存储器(CBRAM)及电阻性RAM(ReRAM)单元的电阻性存储器单元为提供优于常规快闪存储器单元的尺寸缩放及成本优势的新类型的非易失性存储器单元。CBRAM是基于固态电解质内的离子的物理重新定位。CBRAM存储器单元可由两个固态金属电极组成，一者相对惰性(例如，钨)，另一者电化学活性(例如，银或铜)，所述两个固态金属电极通过非导电材料的薄层或膜而彼此分离。CBRAM单元通过跨所述非导电膜施加偏置电压而产生跨所述非导电膜的可编程导电细丝。所述导电细丝可由单一或非常少的纳米级离子形成。所述非导电膜可称为电解质，这是因为其通过非常类似于电池中的氧化/还原过程而提供所述导电细丝跨所述膜的传播。在ReRAM单元中，传导通过绝缘体中的空位链的产生而发生。所述细丝/空位链的产生会形成接通状态(电极之间的高传导)，而所述细丝/空位链的溶解为(例如)通过以焦耳(Joule)加热电流施加类似极性或以较小电流施加相反极性，以将电解质/绝缘体回复返回到其非导电关闭状态。在本发明中，为了简单起见将CBRAM单元的电解质膜、层或区域及ReRAM单元的绝缘体膜、层或区域都称为“电解质”。

多种材料已经证实可用于电阻性存储器单元，包括电解质及电极两者。一个实例为基于Cu/SiOx的单元，其中Cu为活性金属源电极且SiOx为电解质。

电阻性存储器单元面对的一个共同问题为接通状态保持，即尤其在存储器零件通常能承受的高温(例如，85℃/125℃)下导电路径(细丝或空位链)为稳定的能力。

图1展示常规CBRAM单元1A，其具有布置于底电极12(例如，钨)上方的顶电极10(例如，铜)，其中电解质或中间电极14(例如，SiO₂)经布置于所述顶电极与所述底电极之间。当偏置电压施加到单元1A时导电细丝18穿过电解质14从底电极12传播到顶电极10。此结构具有各种潜在限制或缺点。例如，用于细丝形成的有效横截面区域(在本文中可称为“局限区”或“细丝形成区域”，指示为A_FF)相对大且无局限，使细丝形成区域易受外在缺陷影响。此外，多细丝根形成可能归因于相对大区域，其可导致较弱(较不坚固)细丝。一般来说，细丝形成区域A_FF的直径或宽度(指示为“x”)与从底电极12到顶电极10的细丝传播距离(在此情况中为电解质14的厚度，指示为“y”)之间的比率越大，多根细丝形成的机会就越大。此外，大电解质体积包围细丝，所述大电解体积为细丝提供扩散路径且因此可能会提供不佳的保持。因此，限制其中形成导电路径的电解质材料的体积可归因于空间局限而提供更坚固的细丝。可通过缩小底电极12与电解质14之间接触的区域而限制其中形成导电路径的电解质材料的体积。

如本文中所使用，“导电路径”是指导电细丝(例如，在CBRAM单元中)、空位链(例如，在基于氧空位的ReRAM单元中)或用于连接非易失性存储器单元的电极的任何其它类型的导电路径(通常通过布置于电极之间的电解质层或区域)。如本文中所使用，“电解质层”或“电解质区域”是指导电路径通过其传播的底电极与顶电极之间的电解质/绝缘体/存储器层或区域。

图2展示CBRAM单元形成的某些原理。导电路径18可横向形成且增长或形成支链到多个平行路径。此外，导电路径的位置可随着每一编程/擦除循环而改变。这可导致临界切换性能、可变性、高温保持问题及/或较差的切换持久性。已展示限制切换体积以使操作获益。这些原理均等应用到ReRAM及CBRAM单元。对于这些技术的采用的主要障碍为切换均匀性。

图3A及3B展示用于CBRAM单元的实例已知底电极配置1B(例如，具有一晶体管、一电阻性存储器元件(1T1R)架构)的示意图及电子显微镜图像。在此实例中，底电极12为圆柱形通孔，例如，具有Ti/TiN衬料的钨填充通孔。顶接触件及/或阳极20可如所示的连接到顶电极10。底电极12可提供(例如)可导致上文所论述的问题或缺点中的一或多者的约30,000nm²的相对大细丝形成区域A_FF。

发明内容