具有自选择抗串扰功能的阻变存储器及交叉阵列存储电路制造技术

本发明专利技术公开了一种具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，包括：上电极、下电极，以及位于所述上电极和下电极之间的阻变层，其中，所述阻变层包括具有阻变特性的氧化物材料。本发明专利技术还提供了一种包括上述阻变存储器的交叉阵列存储电路。本发明专利技术采用具有阻变特性的氧化物材料作为存储介质，从而利用在阻变层和电极之间形成整流特性来实现了存储器的自选择抗串扰功能，由于不需要引入额外的选择器件，这种1R存储单元在高密度集成和功耗上都具有明显的优势，即，能够简化工艺步骤，降低电路功耗和提高阻变存储器集成密度，从而能够满足交叉阵列存储电路的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体集成电路
，特别涉及一种具有自选择抗串扰功能的阻 变存储器(Resistive Random Access Memories, RRAM)。
技术介绍
微电子工业的发展推动着存储器技术的不断进步。非挥发性存储器具有在无电源 供应时仍能保持数据信息的优点，在信息存储领域具有非常重要的地位。阻变存储器RRAM 是一种通过控制器件电阻的变化来实现信息存储的新型非挥发性存储器。这种存储器具有 高速度(< 5ns)、低功耗(< IV)、高存储密度、易于集成等优点，是下一代半导体存储器的 强有力竞争者。这种RRAM —般具有M-I-M (Metal-Insulator-Metal，金属-绝缘体-金属) 结构，即在两层金属电极之间加入一层具有阻变特性的介质薄膜材料。这些阻变材料一般 是过渡金属氧化物，常见的有NiO、TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO等等。阻变存储器的工作方式包括 单极和双极两种，前者在器件两端施加单一极性的电压，利用外加电压大小的不同来控制 阻变材料的电阻值在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除；而后者是利用施加 不同极性的电压来控制阻变材料电阻值的转换。通常的阻变器件开始工作需要一个初始化 过程(forming)，习惯上转变中的两个稳定状态为高阻态和低阻态，由高阻态到低阻态的转 变为写入操作(SET)，由低阻态到高阻态的转变为擦除操作(RESET)。交叉阵列存储电路结构如图1所示，包括上面的字线(WL)、下面的位线(BL)和中 间的存储单元，图1中N指字线和位线的数目，V_d为读取信号。在读取所选器件(位于 施加读取信号的字线和位线交叉处)的电流时，由于受叉阵列中其他旁路的影响，会产生 读串扰。图1中箭头所示为施加如图1中读取信号时，其中的某一个串扰通路，整个阵列中 串扰通路有(N-I)2个。为解决交叉阵列中的读写操作串扰问题，通常需要采用1T-1R或者 1D-1R的存储单元结构。1T-1R是指存储单元由一个选通晶体管和一个阻变器件组成，要向 指定的单元读写数据，需要依靠相应的晶体管控制。1D-1R是指存储单元由一个选通二极管 和一个阻变器件组成，通过选通二极管来控制具体选择的操作单元。然而使用额外的选择 器件的集成方案都还存在着一定问题，制约了阻变存储器技术的发展。比如在1T-1R结构 中选通晶体管占用了存储单元的绝大部分面积，这严重的影响了存储电路集成密度的进一 步提高；而1D-1R结构虽然可以像IR单元一样实现等比例缩小，但是由于阻变存储器本征 的RESET电流较大，导致选通二极管随着面积的缩小提供的电流将不足以驱动阻变器件， 同时二极管上消耗的功耗也会增加，这些不利因素也制约了基于1D-1R结构交叉阵列存储 电路集成技术的发展。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何设计出一种能够在交叉阵列存储电路中具有抗 串扰功能的IR存储单元，并降低电路功耗和提高阻变存储器集成密度。( 二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种具有自选择抗串扰功能的阻变存储器， 包括上电极、下电极，以及位于所述上电极和下电极之间的阻变层，其中，所述阻变层包括 具有阻变特性的氧化物材料。其中，所述上电极为金属材料。其中，所述金属材料包括Pt、W、Ag、h、Ti、TiN中的一种或任意几种的组合。其中，所述下电极为η型半导体材料。优选地，所述η型半导体材料为Nb-SrTiO315其中，所述氧化物材料包括Prtl.7Ca0.3Mn03、Lai_xCaxMn03, ZrO2, HfO2, MnO2, TiO2 和 NiO中的一种或任意几种的组合。其中，所述阻变层还包括具有离子掺杂的氧化物材料。其中，所述具有离子掺杂的氧化物材料中掺杂的元素包括Al、Gd、La、Sr、Ti中的 一种或任意几种的组合。其中，所述阻变存储器还包括位于所述下电极下层的金属层。本专利技术还提供了一种包括上述阻变存储器的交叉阵列存储电路。(三)有益效果本专利技术采用具有阻变特性的氧化物材料作为存储介质(即阻变层)，从而利用在 阻变层和电极之间形成整流特性来实现了存储器的自选择抗串扰功能，由于不需要引入额 外的选择器件，这种IR存储单元在高密度集成和功耗上都具有明显的优势，即能够简化工 艺步骤，降低电路功耗和提高阻变存储器集成密度，从而能够满足交叉阵列存储电路的需 求。附图说明图1为现有交叉阵列存储电路中对选定单元读取时串扰问题的示意图；图2为本专利技术提出的自选择抗串扰阻变存储器的结构示意图及其使用示意；图3为本专利技术提出的自选择抗串扰阻变存储器的典型电阻转变I-V曲线图；图4为本专利技术器件的阻变行为特性图；图5为本专利技术阻变存储器在交叉阵列存储电路中自选择抗串扰功能的图示。 具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施 例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本专利技术的目的是提供一种能够应用于交叉阵列存储电路中具有自选择抗串扰功 能的双极阻变存储器。这种器件采用具有阻变特性的氧化物材料作为存储介质(也就是阻 变层)，利用阻变层和电极之间形成整流特性来实现器件的自选择抗串扰功能。结构如图2 所示(金属-阻变氧化物-Nb-SrTiO3-金属)，包括上电极2、阻变层3、下电极4和金属层 5。上电极2为金属型材料Pt、W、Ag、In、Ti、TiN等，下电极4为η型半导体材料掺铌钛酸 锶(Nb-SrTiO3),中间的阻变层3为具有阻变特性的氧化物材料以及具有离子掺杂的氧化物 材料，其中氧化物材料包括1%.703(1.3]\11103丄￡11_!￡01!￡]\11103、&02、!1 )2、]\11102、1102、附0，掺杂元素包括Al、Gd、La、Sr、Ti等。上述中间的阻变层为20nm 200nm厚的氧化物薄膜。图2中 的“V”代表电压。本专利技术的制备过程中，可以在η型半导体Nb-SrTiO3衬底(掺杂浓度0.7%)上 用激光脉冲沉积(PLD)方法生长IOOnm厚的Pra7Qia3MnO3薄膜，制备条件为780摄氏度和 30 氧压。制备完成后器件经过后退火处理，目的是为了获得更好的异质界面。金属^！被 用来作为上电极，隔离成面积小于50X50um的单元，下电极Nb-SrTiO3也通过金属h引出， 完成整个器件制备。本专利技术的一个实施例RRAM器件的电流-电压特性曲线如图3所示，器件经过 forming初始化过程后能够表现出典型的双极阻变行为。并且值得注意的是高阻态和低阻 态都具有整流特性IV曲线，这使得正向导通后，高低阻态的电流都能达到100μ A量级，而 反向截止电流都在10 μ A以下。如图4所示，同样的读电压下，高低阻态的正向开启电流都 要远大于反向截止电流。在读取信号为士0.5V的情况下，反向读电压得到的低阻态(RLJ 比正向读电压得到的低阻态(RLfd)高50倍以上；当读电压为正负IV时，RLrv/RLfd比值达 到1000倍以上。将正常工作的读电压信号定义为正向导通方向，这种整流的器件特性将有 效的抑制交叉阵列存储电路中串扰问题，使得阵列最大可集成的字线(或位线)数N增大。 图5示出了运用本专利技术中阻变器件结构的交叉阵列存储电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种具有自选择抗串扰功能的阻变存储器，其特征在于，包括：上电极、下电极，以及位于所述上电极和下电极之间的阻变层，其中，所述阻变层包括具有阻变特性的氧化物材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈沅沙，高滨，陈冰，张飞飞，刘力锋，刘晓彦，康晋锋，韩汝琦，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11