互补型阻变存储器及其非破坏性读取方法技术

本发明专利技术公开了一种互补型阻变存储器，包括两个结构相同的反串联连接的电化学金属化存储单元；电化学金属化存储单元包括依次叠层设置的活性电极层、阻变材料层和惰性电极层；其中，当电化学金属化存储单元处于高阻态时，向活性电极层施加“读”偏压，电化学金属化存储单元处于高阻态与低阻态之间的易失电阻态；当撤销“读”偏压，电化学金属化存储单元由易失电阻态自动恢复为高阻态；“读”偏压介于第一正向阈值偏压与第二正向阈值偏压之间。本发明专利技术还公开了上述互补型阻变存储器的非破坏性读取方法。根据本发明专利技术的互补型阻变存储器利用单个高阻态的电化学金属化存储单元在适当电压下的易失性特性，并以该特征作为本征的选通器件，实现非破坏性读取。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，具体地讲，涉及一种互补型阻变存储器及其非破坏性读取方法。
技术介绍
基于半导体技术的新型存储器已广泛地应用于计算机、数码设备及移动存储等领域。传统的磁随机动态存储器和闪存由于自身物理尺寸限制已不能满足高密度、高速度、大容量存储的要求；目前，阻变存储器(RRAM)因具有可缩性强、操作速度快、存取功耗低等特点，已引起了国内外研究机构和存储器制造商的广泛关注和研究。阻变存储器具备小型化潜力的原因是其可以做成十字交叉阵列(CrossbarArray)结构，即底电极和顶电极呈十字交叉排列，存储介质置于上下电极之间。这种3D存储构架使得每一个存储单元可以缩小到4F2/n的尺寸(F为制造工艺的特征尺寸，n为存储器中十字交叉阵列的层数)。然而，十字交叉阵列在实际应用中有一个技术瓶颈问题，操作时相邻低阻态存储单元的串扰问题(CrosstalkProblem)。因此，解决十字交叉阵列的串扰问题对阻变存储器的发展和应用至关重要。近年来，一种互补型阻变存储器(ComplementaryResistiveSwitches，CRS)的概念被提出来，用于解决阻变存储器在十字交叉阵列中的串扰问题。对于CRS器件，二进制0和1是通过两个反串联存储单元的高阻态与低阻态的组合不同实现的，整个器件的电阻始终处于高阻态，因而可以有效解决串扰问题。但是这种互补型阻变存储器在实际操作中面临着破坏性读取的困难，读取信息的过程中破坏了原始数据，读取信息后还需要一个额外的“复写”环节来恢复原始信息，这种“复写”过程会增加器件的读取时间，增大器件的功耗。图1是传统互补型阻变存储器的I-V曲线。参照图1，传统互补型阻变存储器的特征是器件在适当大小的电压范围内(Vth,3<V<Vth,1，其中Vth,3<0，Vth,1>0，且|Vth,3|≈|Vth,1|)均为高阻态(以下简称HRS)，并且具备两个极向相反的HRS。其中一HRS在施加第一正向阈值偏压(Vth,1)时实现由HRS到低阻态(以下简称LRS)的转变，另一HRS可在施加第一负向阈值偏压(Vth,3)时实现由HRS到LRS的转变；当施加一大于第二正向阈值偏压(Vth,2，其中，Vth,2＞Vth,1)或一小于第二负向阈值偏压(Vth,4，其中，Vth,4＜Vth,3，且|Vth,4|≈|Vth,2|)的电压时，处于LRS的互补型阻变存储器可实现由LRS到HRS的转变；因此，定义在(Vth,4，Vth,1)稳定的HRS为该互补型阻变存储器的“1”状态，而在(Vth,3，Vth,2)内稳定的HRS为该互补型阻变存储器的“0”状态；其中，“0”和“1”状态可以通过施加一个“读”偏压(Vth,1<V<Vth,2)来识别，前者(“0”状态)仍保持HRS，而后者(“1”状态)则变为LRS。其中，“1”状态下的读取是破坏性的(该互补型阻变存储器变为LRS)，因此读取完后还需一个“写”操作使该互补型阻变存储器复原为“1”状态；“擦”操作可以通过施加一个大的正向偏压(V＞Vth,2)来实现；“写”操作通过施加一个大的负向偏压(V＜Vth,4)来实现。类似地，在(Vth,3，Vth,2)内稳定的HRS为该互补型阻变存储器的“1”状态，则“读”偏压需满足Vth,4<V<Vth,3的条件，相应地，“写”偏压和“擦”偏压需分别满足V<Vth,4和V>Vth,2的条件。值得说明的是，当该互补型阻变存储器处于“1”状态时，对其施加“读”偏压(Vth,1<V<Vth,2)，则电压经由处于LRS的存储单元而全部施加给处于HRS的存储单元，处于HRS的存储单元变为LRS状态，整个互补型阻变存储器处于LRS状态，该状态称为“ON”状态。图2是传统互补型阻变存储器的破坏性读取方法的步骤示意图。参照图2，当传统互补型阻变存储器的初始状态为“0”状态，对其施加“读”偏压，其状态不发生变化，没有电流产生；继续对其施加“写”偏压，处于“0”状态的互补型阻变存储器变为“1”状态，同时因中间经过“ON”状态，因此产生较大的电流；第三步对该处于“1”状态的互补型阻变存储器施加“读”偏压，处于HRS的存储单元变为LRS状态，相应地，产生电流，整个互补型阻变存储器变为“ON”状态；第四步对该处于“ON”状态的互补型阻变存储器施加“写”偏压，使其恢复至“1”状态，因此该步称为“复写”操作，如图2中虚线框中所示。传统互补型阻变存储器在经过读写后，其状态变为“ON”状态，若要使其重新变为“1”状态，需对其施加一“写”偏压，完成“复写”操作，“复写”操作的进行降低了该互补型阻变存储器的读取速度，增加了其工作能耗。因此，实现CRS器件的非破坏性读取对于提升互补型阻变存取器的寿命以及互补型阻变存储器的商用化均具有重要意义。
技术实现思路
为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种互补型阻变存储器，该互补型阻变存储器利用单个高阻态的电化学金属化存储单元在适当电压下的易失性特性，并以该特征作为本征的选通器件，从而实现了该互补型阻变存储器的非破坏性读取。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种互补型阻变存储器，包括两个结构相同的反串联连接的电化学金属化存储单元；所述电化学金属化存储单元包括依次叠层设置的活性电极层、阻变材料层和惰性电极层；其中，当所述电化学金属化存储单元处于高阻态时，向所述活性电极层施加“读”偏压时，所述电化学金属化存储单元处于高阻态与低阻态之间的易失电阻态；当撤销所述“读”偏压，所述电化学金属化存储单元由易失电阻态自动恢复为高阻态；所述“读”偏压介于第一正向阈值偏压与第二正向阈值偏压之间。进一步地，所述互补型阻变存储器包括依次叠层设置的惰性电极层、阻变材料层、活性电极层、活性电极层、阻变材料层和惰性电极层。进一步地，所述互补型阻变存储器包括依次叠层设置的活性电极层、阻变材料层、惰性电极层、惰性电极层、阻变材料层和活性电极层。进一步地，所述活性电极层的材料选自Ag、Cu、Ni中的任意一种。进一步地，所述惰性电极层的材料选自Pt、Pd、Au中的任意一种。进一步地，所述阻变材料层选自GeSx(0＜x＜2)、AgSx(0＜x＜0.5)、ZrO2、Ta2O5、TiO2中的任意一种。本专利技术的另一目的还在于提供一种互补型阻变存储器的非破坏性读取方法，所述互补型阻变存储器包括两个结构相同的反串联连接的电化学金属化存储单元，所述电化学金属化存储单元包括依次叠层设置的活性电极层、阻变材料层和惰性电极层；所述非破坏性读取方法包括步骤：向处于高阻态的所述电化学金属化存储单元的活性电极层施加“读”偏压，所述电化学金属化存储单元处于易失电阻态；当撤销所述“读”偏压，所述电化学金属化存储单元由易失电阻态自动恢复为高阻态；其中，易失电阻态指所述电化学金属化存储单元的电阻介于低阻态与高阻态之间的状态；所述“读”偏压介于第一正向阈值偏压与第二正向阈值偏压之间。进一度，所述互补型阻变存储器包括依次叠层设置的惰性电极层、阻变材料层、活性电极层、活性电极层、阻变材料层和惰性电极层。进一步地，所述互补型阻变存储器包括依次叠层设置的活性电极层、阻变材料层、惰性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种互补型阻变存储器，其特征在于，包括两个结构相同的反串联连接的电化学金属化存储单元；所述电化学金属化存储单元包括依次叠层设置的活性电极层、阻变材料层和惰性电极层；其中，当所述电化学金属化存储单元处于高阻态时，向所述活性电极层施加“读”偏压，所述电化学金属化存储单元处于高阻态与低阻态之间的易失电阻态；当撤销所述“读”偏压，所述电化学金属化存储单元由易失电阻态自动恢复为高阻态；所述“读”偏压介于第一正向阈值偏压与第二正向阈值偏压之间。

【技术特征摘要】
1.一种互补型阻变存储器，其特征在于，包括两个结构相同的反串联连接的电化学金属化存储单元；所述电化学金属化存储单元包括依次叠层设置的活性电极层、阻变材料层和惰性电极层；其中，当所述电化学金属化存储单元处于高阻态时，向所述活性电极层施加“读”偏压，所述电化学金属化存储单元处于高阻态与低阻态之间的易失电阻态；当撤销所述“读”偏压，所述电化学金属化存储单元由易失电阻态自动恢复为高阻态；所述“读”偏压介于第一正向阈值偏压与第二正向阈值偏压之间。2.根据权利要求1所述的互补型阻变存储器，其特征在于，所述互补型阻变存储器包括依次叠层设置的惰性电极层、阻变材料层、活性电极层、活性电极层、阻变材料层和惰性电极层。3.根据权利要求1所述的互补型阻变存储器，其特征在于，所述互补型阻变存储器包括依次叠层设置的活性电极层、阻变材料层、惰性电极层、惰性电极层、阻变材料层和活性电极层。4.根据权利要求1-3任一所述的互补型阻变存储器，其特征在于，所述活性电极层的材料选自Ag、Cu、Ni中的任意一种。5.根据权利要求4所述的互补型阻变存储器，其特征在于，所述惰性电极层的材料选自Pt、Pd、Au中的任意一种。6.根据权利要求5所述的互补型阻变存储器，其特征在于，所述阻变材料层选自GeSx(0＜x＜2)、AgSx(0＜x＜0.5)、ZrO2、Ta2O5、TiO2中的任意一种。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜刚，李涛，王超，曾中明，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32