[发明专利]一种非易失性存储器系统

说明书

本文公开了用于写入到电阻式随机存取存储器单元并从电阻式随机存取存储器单元读取的电路的许多实施方案。本文还公开了用于电阻式存取存储器单元阵列的各种架构和布局。

技术领域

本文公开了用于写入到电阻式随机存取存储器单元并从电阻式随机存取存储器单元读取的电路的许多实施方案。本文还公开了用于电阻式存取存储器单元阵列的各种架构和布局。

背景技术

电阻式随机存取存储器(RRAM)是一种非易失性存储器。通常，RRAM存储器单元各自包括夹在两个导电电极之间的电阻电介质材料层。电介质材料通常是绝缘的。然而，通过跨电介质层施加适当的电压，可穿过电介质材料层形成传导路径(通常称为细丝)。一旦形成细丝，就可以通过跨电介质层施加适当的电压来进行“重置”(即断裂或破裂，产生跨RRAM单元的高电阻状态)和设定(即重新形成，产生跨RRAM单元的较低电阻状态)。根据电阻状态，低电阻状态和高电阻状态可用于指示“1”或“0”的数字信号，从而提供可存储一些信息的可再编程的非易失性存储器单元。

图1示出了RRAM存储器单元1的常规配置。存储器单元1包括夹在两个导电材料层之间的电阻电介质材料层2，两个导电材料层分别形成顶部电极3和底部电极4。

图2A至图2D示出了电介质材料层2的切换机制。具体地讲，图2A示出了在制造后处于其初始状态的电阻电介质材料层2，其中层2表现出相对较高的电阻。图2B示出了通过跨层2施加适当的电压而形成的穿过层2的导电细丝7。细丝7为穿过层2的导电路径，使得该层在其上表现出相对较低的电阻(因为细丝7相对较高的电导率)。图2C示出了通过跨层2施加“重置”电压而导致形成的细丝7中的破裂8。破裂8的区域具有相对较高的电阻，使得层2在其上表现出相对较高的电阻。图2D示出了通过跨层2施加“设定”电压而导致的破裂8的区域中细丝7的恢复。恢复的细丝7是指层2在其上表现出相对较低的电阻。在图2B和图2D的“形成”或“设定”状态中，层2的相对较低的电阻分别可表示数字信号状态(例如“1”)，并且在图2C的“重置”状态中，层2的相对较高的电阻可表示不同的数字信号状态(例如“0”)。RRAM单元1可反复地被“重置”和“设定”，因此它形成理想的可重新编程的非易失性存储器单元。

该类型的RRAM存储器单元的缺点之一是形成细丝所需的电压和电流相对较高(并且可显著高于设定和重置存储器单元所需的电压)。

为了解决该问题，申请人先前提交了美国专利申请14/582,089，该专利申请被公布为美国专利申请公开2016/0181517，并以引用方式并入本文。该申请提出了一种改进的RRAM存储器单元，其需要更低的电压和电流来形成该单元的细丝。具体地讲，该申请公开了一种几何增强RRAM单元，其中电极和电阻电介质层以降低形成该单元的导电细丝所需的电压的方式来配置。申请人已发现，通过在两个电极之间的一点处的电阻电介质层中提供尖锐拐角，显著降低了有效形成细丝所需的电压和电流。下文将参考图3至图6描述该设计。

图3示出了RRAM存储器单元10的一般结构，该RRAM存储器单元包括电阻电介质层12，该电阻电介质层分别具有以直角相交的细长的第一部分12a和第二部分12b。具体地讲，第一部分12a是细长的且水平地延伸，并且第二部分12b是细长的且竖直地延伸，使得两个部分12a和12b以尖锐拐角12c相交(即，电阻电介质层12具有“L”形)。第一电极14设置在水平层部分12a的上方且在竖直层部分12b的左侧。第二电极16设置在水平层部分12a的下方且在竖直层部分12b的右侧。因此，第一层部分12a和第二层部分12b中的每一者设置在电极14和16之间并且与电极14和16电接触。电极14和16可由适当导电的材料诸如W、Al、Cu、Ti、Pt、TaN、TiN等形成，并且电阻电介质层12由过渡金属氧化物诸如HfOx、TaOx、TiOx、WOx、VOx、CuOx或多层此类材料等构成。另选地，电阻电介质层12可为具有一个或多个过渡金属氧化物子层的离散子层复合物(例如，层12可为多个层：设置在TaOx层和HfOx层之间的Hf层)。已发现，与电介质层12为平面的情况相比，在尖锐拐角12c处穿过层12的细丝形成可在更低电压下发生，这是由于尖锐拐角12c处有增强的电场。