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中科专利商标代理有限责任公司 (CN)
权利要求 1、 一种非挥发性存储单元, 其特征在于, 该存储单元由上至下 依次包括: 上电极、 非对称隧穿势垒结构和下电极, 其中该非对称隧 穿势垒结构用于实现对穿过所述非挥发性存储单元的正、反向隧穿电 流的整流调制。 2、 根据权利要求 1所述的非挥发性存储单元, 其特征在于, 所 述非对称隧穿势垒结构由选通功能层单独或者与阻变功能层共同构 成, 当所述非对称隧穿势垒结构由选通功能层单独构成时,所述存储 单元还包括阻变功能层,所述阻变功能层位于所述上电极和选通功能 层之间或位于所述下电极和选通功能层之间。 3、 根据权利要求 2所述的非挥发性存储单元, 其特征在于, 构 成所述非对称隧穿势垒结构的各材料的势垒高度和隧穿厚度由预设 的整流调制特性确定。 4、 根据权利要求 3所述的非挥发性存储单元, 其特征在于, 构 成所述非对称隧穿势垒结构的各材料的势垒高度自下至上单调递增 或单调递减。 5、 根据权利要求 2所述的非挥发性存储单元, 其特征在于, 所 述选通功能层由单层、 双层或多层的介质子层构成; 当所述选通功能层由单层的介质子层构成时,所述阻变功能层形 成于所述选通功能层的上方或下方; 当所述选通功能层由双层或多层的介质子层构成时,所述阻变功 能层形成于所述选通功能层的上方、 下方或中间。 6、 根据权利要求 5所述的非挥发性存储单元, 其特征在于, 当所述选通功能层由单层的介质子层构成时,所述选通功能层为 Si02, SiON, Si3N4, Hf02, A1203, ΖιΌ2, HfAlO, HfSiO, AlSiO, Ta205或 Ti02层; 或 当所述选通功能层由双层的介质子层构成时,所述选通功能层为 8 Si02/Si3N4, S1O2/AI2O3, Si02/Hf02, SiON/Hf02, SiON/Al20 , Al203/Hf02, Al203/Si02, Hf02/SiON或 Hf02/Ta205层; 或 当所述选通功能层由三层的介质子层构成时,所述选通功能层为 Si02/Al20.3/Hf02, SiON/Al203/Hf02或 Al203/Hf02/SiON层,也可以为 Si02/Hf02/Al203, 或 SiON/Hf02/Al20.3。 7、 根据权利要求 6所述的非挥发性存储单元, 其特征在于, 构 成所述各介质子层的厚度为 0.5nm〜50nm。 8、 根据权利要求 6所述的非挥发性存储单元, 其特征在于, 所 述各介质子层的制备方法为以下方法中的一种: 电子束蒸发、 化学气 相沉积、 脉冲激光沉积、 原子层沉积、 磁控溅射或氧化。 9、 根据权利要求 2-8 中任一项所述的非挥发性存储单元, 其特 征在于, 所述阻变功能层的厚度为 0.5nm〜500nm; 所述阻变功能层包括至少一种或两种以下材料或者以下材料经 掺杂改性后形成的材料: NiOx, 其中 0<x<=2; TiOx, 其中 0<x<=2; CuOx,其中 0<x<=2; ZrOx,其中 0<x<=2; TaOx,其中 0<x<=2; A10x, 其中 0<x<=2; HfOx,其中 0<x<=2; MoOx,其中 0<x<=2; CoO; ZnO; PCMO; LCMO; SrTi03; BaTi03; SrZr03;、 CuS; AgS; AgGeSe; CuIxSy, 其中 0<x, y<2; Hf02 ; Si02 ; WOx; Y203; 非晶硅或 SiOx, 其中 1<=χ<=2; 所述阻变功能层的制备方法为以下方法中的一种或者多种: 电子 束蒸发、 化学气相沉积、 脉冲激光沉积、 原子层沉积、 旋涂或磁控溅 射。 10、 根据权利要求 1-8中任一项所述的非挥发性存储单元, 其特 征在于, 所述上电极和下电极的厚度为 lnm〜500nm; 所述上电极和下电极的导电电极材料为以下材料中的一种或者 多种: W、 Al、 Cu、 Au、 Ag、 Pt、 Ru、 Ti、 Ta、 Pb、 Co、 Mo、 Ir、 Ni、 TiN、 TaN、■、 Ir02、 ITO、 NiSi、 CoSi、 IZO、 YBCO、 LaA103、 Si'Ru03、 Si或多晶硅; 9 所述上电极和下电极采用以下方法中的一种进行沉积:电子束蒸 发、 化学气相沉积、 脉冲激光沉积、 原子层沉积或磁控溅射。 1 1、 一种非挥发性存储器, 其特征在于, 该存储器包括电阻读写 单元、 地址选择单元和若千个权利要求 1至 10中任一项所述的非挥 发性存储单元, 其中: 所述地址选择单元, 与所述若干阻变型随机存储单元相连, 用于 选择进行操作的阻变型随机存储单元; 所述电阻读写单元,与所述地址选择单元和所述若干阻变型随机 存储单元相连, 用于对所选择的阻变型随机存储单元进行置位、复位 或编程操作。 1 0 |
技术领域
本发明属于微电子及存储器技术领域, 尤其涉及一种用于高密度数 据存储的非挥发性存储单元及存储器。 背景技术
阻变型随机存取存储器 (Resistive Random Access Memory, 简称 RRAM)作为一种新兴的非易失性存储技术, 在单元面积、器件密度、功 耗、 编程 /擦除速度、 3D集成和多值实现等诸多方面相对 FLASH都具有 极大的优势, 受到国内外大公司和科研院所的高度关注。 阻变存储技术 的不断进步使之成为未来非易失性存储技术市 场主流产品的最有力竞争 者之一。
阻变型随机存储器具有电极 /绝缘层 /电极的简单单元结构, 因此, 1R 型交叉阵列结构是最理想的存储阵列结构, 其可以实现三维超高密度的 集成。 在交叉阵列结构中, 上下相互垂直的平行交叉点处设置存储单元, 每一个存储单元都可以实现器件的选通并进行 读写。 但是, 由于存储单 元对称的电学特性, 使得 1R型交叉阵列结构中存在严重的读串扰问题。
图 1 为现有技术阻变型随机存储器中读串扰问题的 示意图。 如图 1 所示, 每个存储单元有上电极、 阻变功能层和下电极构成。 该阵列结构 制备工艺简单, 易于实现低成本和高密度的三维集成。 然而, 该结构存 在明显的读扰动现象。 如图 1 所示相邻的四个器件, 坐标为 (1, 1 ) 的 器件处于高阻状态, 其余三个相邻器件 (1, 2 )、 (2, 2 ) 和 (2, 1 ) 都 处于低阻状态, 这时在 (1, 1 ) 器件上加读电压时, 所希望的电流通路 如图 1 中实线所示, 但实际上的电流通路却如图 1 中虚线所示, 使得读 出来的电阻值不是 (1, 1 ) 器件的电阻了, 这就是读串扰现象。
读串扰问题一般通过引入选通单元得以解决, 如 1T1R结构和 1D1R 结构。采用 1T1R结构的集成方案中的器件单元面积最终是 晶体管决定 的。 如果不考虑晶体管的驱动电流的影响的话, 1T1R结构阻变型随机存 储单元的最小单元面积为 6F 2 (F为特征线宽)。 因此, 1T1R结构无法实 现高密度的阵列集成, 而 1D1R结构被认为更有应用的潜力。 图 2为现有技术 1D1R结构阻变型随机存储器的结构示意图。如 2 所示, 在阻变型存储单元中, 通过将整流二极管串联到阻变功能层上可 以有效解决误读的问题, 整流二极管通过 PN结实现。考虑到阻变功能层 一般采用金属材料,构成 PN结的 n型和 p型掺杂以及随后的高温激活过 程使得这种采用 PN结整流二极管的 1D1R单元实现如图 2左所示的三维 集成工艺非常复杂和难以控制。此外, 常规的 PN结的厚度超出了 100纳 米, 也阻碍了其三维集成。 最后, 尽管多晶硅 PN结二极管能够提供阻变 需要的大 Set/Reset电流, 但是其泄露电流很大。 以上种种因素制约了常 规多晶硅 PN结整流型阻变器件的集成。 因此, 如何实现 1D1R结构阻变 型随机存储单元的三维高密度集成是存储技术 研究的一个重要课题。
在实现本发明的过程中, 发明人意识到现有技术存在如下技术问题: 采用 PN结作为选通单元的 1D1R结构的阻变型存储单元中, 由于需要额 外的掺杂和高温激活过程, 不利于进行三维高密度集成。 发明内容
(一) 要解决的技术问题
为解决上述缺陷, 本发明提供了一种非挥发性存储单元及存储器 , 以避免采用 PN结实现电流选通功能,实现非挥发性存储单 的三维高密 度集成。
(二) 技术方案
根据本发明的一个方面, 提供了一种非挥发性存储单元。 该存储单 元由上至下依次包括: 上电极、 非对称隧穿势垒结构和下电极, 其中该 非对称隧穿势垒结构用于实现对穿过非挥发性 存储单元的正、 反向隧穿 电流的整流调制。 优选地, 非对称隧穿势垒结构可以由选通功能层单独 或者与阻变功能层共同构成, 当非对称隧穿势垒结构由选通功能层单独 构成时, 存储单元还包括阻变功能层, 阻变功能层位于上电极和选通功 能层之间或位于下电极和选通功能层之间。
本技术方案中, 构成非对称隧穿势垒结构的各材料的势垒高度 和隧 穿厚度由预设的整流调制特性确定。 本技术方案中, 构成非对称隧穿势垒结构的各材料的势垒高度 自下 至上单调递增或单调递减。
本技术方案中, 选通功能层由单层、 双层或多层的介质子层构成。 当选通功能层由单层介质子层构成时, 阻变功能层形成于选通功能层的 上方或下方; 当选通功能层由双层或多层的介质子层构成时 , 阻变功能 层形成于选通功能层的上方、 下方或中间。
优选地, 本技术方案中, 当选通功能层由单层的介质子层构成时, 选通功能层为 Si0 2 , SiON, Si 3 N 4 , Hf0 2 , A1 2 0 3 , Zr0 2 , HfAlO, HfSiO, AlSiO, Ta 2 0 5 或 Ti0 2 层。 当选通功能层由双层的介质子层构成时, 选通 功能层为 Si0 2 /Si 3 N 4 , Si0 2 /Al 2 0 3 , Si0 2 /Hf0 2 , SiON/Hf0 2 , SiON/Al 2 0 3 , Al 2 0 3 /Hf0 2 , Al 2 0 3 /Si0 2 , Hf0 2 /SiON或 Hf0 2 /Ta 2 0 5 层。 当选通功能层由 三层的介质子层构成时,选通功能层为 Si0 2 /Al 2 0 3 /Hf0 2 , SiON/Al 2 0 3 /Hf0 2 或 Al 2 0 3 /Hf0 2 /SiON层,也可以为 Si0 2 /Hf0 2 /Al 2 0 3 ,或 SiON/Hf0 2 /Al 2 0 3 。
优选地, 本技术方案中, 构成各介质子层的厚度为 0.5nm〜50nm。 根据本发明的另一个方面, 提供了一种非挥发性存储器。 该存储器 包括电阻读写单元、 地址选择单元和若干个上述的非挥发性存储单 元。
(三) 有益效果
从上述技术方案可以看出, 本发明具有以下有益效果:
1 ) 本发明采用非对称隧穿势垒结构, 通过在非对称势垒两端施加不 同极性的电压, 其隧穿电流可以通过非对称的势垒高度和隧穿 厚度的调 整而获得很大的正反向电流差异, 从而有效实现整流特性;
2) 本发明中, 非对称隧穿势垒结构可以采用具有不同势垒高 度的材 料予以实现, 比如 Si0 2 /Al 2 0 3 , Si0 2 /Hf0 2 , SiON/Hf0 2 等, 其可选的材料 很多, 且已经被广泛用于 CMOS工艺, 因此该新结构与 CMOS工艺完全 兼容;
3 ) 本发明中, 采用该非对称隧穿势垒结构, 不同额外的整流二极管 或者晶体管就可以有效解决 1R型交叉阵列的读串扰问题, 可以很好的用 于交叉存储阵列方式设计;
4) 本发明中, 通过采用非对称隧穿势垒结构, 其新单元结构将与理 想的 1R结构在集成密度上趋向于一致, 也都可实现三维超高密度集成, 而且制备工艺简单、 成本低 附图说明
图 1为现有技术阻变型随机存储器中读串扰问题 示意图; 图 2为现有技术 1D1R结构阻变型随机存储器的结构示意图; 图 3a为本发明非挥发性存储单元实施例的结构示 图;
图 3b为本发明非挥发性存储单元实施例的结构示 图;
图 4是图 3a所示非挥发性存储单元中非对称隧穿势垒结 的能带结 构示意图;
图 5 为本发明实施例基于单层选通功能层的非挥发 性存储单元的结 构示意图。 具体实施方式
为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚明白, 以下结合具体 实施例, 并参照附图, 对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中, 提供了一种非挥发性存储单元。 该存储单元包括: 上电极、 选通功能层、 阻变功能层和下电极, 上电极 和下电极形成于存储单元的两端。 选通功能层单独或者与阻变功能层共 同构成非对称隧穿势垒结构。 该非对称隧穿势垒结构, 用于实现对穿过 非挥发性存储单元的正、 反向隧穿电流的整流调制。 优选地, 构成非对 称隧穿势垒结构的各材料的势垒高度自下至上 单调递增或单调递减, 并 且各材料的势垒高度和隧穿厚度由预设的整流 调制特性确定。
本实施例相当于采用非对称隧穿势垒结构作为 选通单元, 而不需要 额外的掺杂和高温激活过程, 从而有利于存储器实现高密度集成。
在本发明进一步的实施例中, 选通功能层由单层、 双层或多层的介 质子层构成, 各介质子层的厚度为 0.5nm〜50nm。
当选通功能层由单层的介质子层构成时, 阻变功能层形成于选通功 能层的上方或下方,选通功能层可以为 Si0 2 , SiON, Si 3 N 4 , Hf0 2 , A1 2 0 3 , Zr0 2 , HfAlO, HfSiO, AlSiO, 丁3 2 0 5 或《^0 2 层。
当选通功能层由双层或多层的介质子层构成时 , 阻变功能层形成于 选通功能层的上方、 下方或中间。 当选通功能层由双层的介质子层构成 时, 选通功能层可以为 Si0 2 /Si 3 N 4 , Si0 2 /Al 2 0 3 , Si0 2 /Hf0 2 , SiON/Hf0 2 , SiON/Al 2 0 3 , Al 2 0 3 /Hf0 2 , Al 2 0 3 /Si0 2 或 Hf0 2 /SiON层。 当选通功能层由 三层的介质子层构成时, 选通功能层可以为 Si0 2 /Hf0 2 /Al 2 0 3 , SiON/Hf0 2 /Al 2 0 3 或 Al 2 0 3 /Hf0 2 /SiON层。 各介质子层的制备方法为以下 方法中的一种: 电子束蒸发、 化学气相沉积、 脉冲激光沉积、 原子层沉 积、 磁控溅射或氧化。
本实施例中, 在非对称势垒两端施加不同极性的电压, 非挥发性存 储单元的隧穿电流可以通过非对称的势垒高度 和隧穿厚度的调整而获得 很大的正反向电流差异, 从而有效实现整流特性。 在本实施例中, 给出 了选通功能层的具体特征, 如厚度、 材料、 制备方法等, 更加有利于实 现本发明。
以下以一具体的实现方式为例对本发明进一步 说明, 以下实施例的 特征, 仅用于理解本发明, 并不构成对本发明的限制。
图 3a为本发明非挥发性存储单元实施例的结构示 图。 在图 3a中, 选通功能层由两层介质子层-中等势垒材料和 势垒材料构成, 阻变功能 层位于整个选通功能层的上方。 假设该阻变功能层材料是单极性材料, 那么当图 3a的上电极接正电压 V set , 下电极接负电压或者 0的时候, 阻 变材料可以完成 Set操作; 当上电极结正电压 V ese ^ 候, 阻变材料可以 完成 Reset 操作; 而单元的读操作可通过正电压 V read 读出, 其中
Vset>Vreset> V rea d。
图 3b为本发明非挥发性存储单元实施例的结构示 图。 在图 3b中, 阻变功能层位于中等势垒材料和高势垒材料的 中间。 基于构成双层隧穿 层的高势垒材料和中等势垒材料在势垒高度以 及介电常数、 厚度方面的 差异,这个非对称势垒仍然可以实现整流特性 。其基本原理与图 3a类似, 此处不再赘述。
图 4是图 3a所示非挥发性存储单元中非对称隧穿势垒结 的能带结 构示意图。 可以看出, 该选通功能层的双层介质子层的势垒高度都较 阻 变功能材料的势垒高度高, 双层隧穿势垒和阻变功能层将共同构成一个 单调递减 (增) 的非对称隧穿势垒结构。 这种单调递减 (增) 的非对称 隧穿势垒结构对于交叉阵列读串扰的抑制主要 体现如下: 当图 3a的上电 极接正电压 V read , 下电极接负电压或者 0的时候 (图 4中右上图), 电子 在从下电极向上电极隧穿的时候其隧穿厚度为 dl, 其隧穿势垒高度由靠 近下电极的高势垒材料决定。 同理, 在上电极接负电压下电极接 0 电压 或者正电压时候 (图 4中右下图), 其电子从上电极向下电极的隧穿厚度 为 d2,势垒高度由靠近上电极的阻变功能层材料 定。可以看出, dl<d2, 这样通过选择材料和厚度可以控制隧穿电流, 从而可以有效实现隧穿电 流的整流特性。
如果在图 1 的交叉阵列中采用该新单元结构, 则在选择通道上 (从 ( 1, 1 ) ■ (2, 1 ) ), 则电流只需要经过在 (1, 1 ) 处的 1 个正向非对 称隧穿势垒结构, 所以选中单元的读出电流很大; 而泄露通道 (从 (1, 1 ) - ( 1 , 2 ) - (2, 2 ) ^ ( 2, 1 ) )路径上则需要经过四个非对称隧穿 势垒结构, 所以非选中单元上泄露电流会被有效抑制, 从而达到防止 1R 型交叉阵列的读串扰问题。
图 5 为本发明实施例基于单层选通功能层的非挥发 性存储单元的结 构示意图。 由于该单层的选通功能层和阻变功能层结合共 同形成的非对 称势垒仍然可以实现与上述实施例相似的功能 。 因此, 图 5 所示的非挥 发性存储单元仍然能有效地抑制交叉阵列读串 扰。 当然, 选通功能层也 可以在阻变功能层的上面。
应该指出的是,这里只给出了简单的双层选通 功能层(图 3a、图 3b)、 单层选通功能层(图 5 ) 的几个简单示例, 其他基于采用非对称势垒调整 电流从而抑制读串扰的实施方式, 也将被本发明所包含, 比如三层选通 功能层, 多层选通功能层等。 而对于三层选通功能层或多层选通功能层 来讲, 阻变功能层可以位于选通功能层的任意位置, 本发明将一并涵盖。
上述方案中, 阻变存储部分其可以具有单极或双极性电阻转 变特性。 阻变存储部分的电阻转变功能层至少由一种或 者多种以下材料或者对它 们进行掺杂后形成, 如 NiO x , 其中 0<x<=2 ; TiO x , 其中 0<x<=2; CuO x , 其中 0<x<=2 ; ZrO x ,其中 0<x<=2; TaO x ,其中 0<x<=2; A10 x ,其中 0<x<=2; HfO x , 其中 0<x<=2; MoO x , 其中 0<x<=2; CoO; ZnO; PCMO; LCMO; SrTi0 3 ; BaTi0 3 ; SrZr0 3 ; 、 CuS; AgS; AgGeSe; CuI x S y 其中 0<x, y<2; Hf0 2 ; Si0 2 ; WO x ; Y 2 0 3 ; 非晶硅或 SiO x , 其中 1<=χ<=2。 上述方案中, 阻变功能层的制备采用以下的方法中一种: 电子束蒸发、 化学气相沉积、 脉冲激光沉积、原子层沉积、旋涂或磁控溅射 ;存储介质层的厚度为 lnm〜 500i'im。
上述方案中, 上电极、 下电极的导电电极材料由至少一种或者多种 以下材料构成: 金属材料\¥、 Al、 Cu、 Au、 Ag、 Pt、 Ru、 Ti、 Ta、 Pb、 Co、 Mo、 Ir、 Ni, 或导电金属化合物 TiN、 TaN、 WN、 Ir0 2 、 ITO、 騒、 CoSi、 IZO、 YBCO、 LaA10 3 、 SrRu0 3 、 Si、 多晶硅或者其它的导电电极 材料。 导电电极材料采用以下方法中的一种进行淀积 : 电子束蒸发、 化 学气相沉积、 脉冲激光沉积、 原子层沉积或磁控溅射。 电极材料的厚度 为 lnm〜500nm。
此外, 本发明还提供了一种非挥发性存储器。 该存储器包括电阻读 写单元、 地址选择单元和上述的非挥发性存储单元。 地址选择单元, 与 若干阻变型随机存储单元相连, 用于选择进行操作的阻变型随机存储单 元; 电阻读写单元, 与地址选择单元和若干阻变型随机存储单元相 连, 用于对所选择的阻变型随机存储单元进行置位 、 复位或编程操作。
需要说明的是, 本发明半导体存储单元、 器件及其制备方法中, 涉 及的沉积工艺可以为: 电子束沉积、 磁控溅射、 溶胶-凝胶法沉积、 化学 气相沉积等; 而涉及的刻蚀工艺可以为: 湿法刻蚀、 等离子体干法刻蚀 等。 本领域的普通技术人员结合客观条件和环境因 素, 可以选择合理的 沉积、 刻蚀或其他工艺。 只要达到本发明所涉及的目的及结构特征, 均 应包括在本发明的保护范围之内。
综上所述, 本发明存储单元采用非对称隧穿势垒结构, 通过在非对 称势垒两端施加不同极性的电压, 其隧穿电流可以通过非对称的势垒高 度和隧穿厚度的调整而获得很大的正反向电流 差异, 从而有效实现整流 特性。
以上所述的具体实施例, 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进 行了进一步说明, 所应理解的是, 以上所述仅为本发明的具体实施例而 已, 并不用于限制本发明, 凡在本发明的精神和原则之内, 所做的任何 修改、 等同替换、 改进等, 均应包含在本发明的保护范围之内。