互补型阻变存储器及其非破坏性读取方法

摘要

本发明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。

权利要求

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。

7.一种互补型阻变存储器的非破坏性读取方法，其特征在于，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；

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，所述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；“读”偏压介于第一正向阈值偏压与第二正向阈值偏压之间。

8.根据权利要求7所述的非破坏性读取方法，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。

9.根据权利要求7所述的非破坏性读取方法，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。

10.根据权利要求7-9任一所述的非破坏性读取方法，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；所述惰性电极层的材料选自Pt、Pd、Au中的任意一种；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。

说明书

互补型阻变存储器及其非破坏性读取方法

技术领域

[0001] 本发明属于微电子技术领域，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。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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(Crossbar Array)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(Crosstalk Problem)。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。

[0004] 近年来，一种互补型阻变存储器(Complementary Resistive Switches，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。

[0005] 图1是传统互补型阻变存储器的I-V曲线。

[0006] 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,30，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,1Vth,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

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

发明内容

[0010] 为解决上述现有技术存在的问题，本发明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。

[0011] 为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

[0012] 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。

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 本发明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。

[0019] 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。

[0020] 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。

[0021] 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；所述惰性电极层的材料选自Pt、Pd、Au中的任意一种；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。

[0022] 本发明通过将两个结构相同的电化学金属化存储单元进行反串联连接，制备得到了可实现非破坏性读取的互补型阻变存储器，其可有效避免传统互补型存储器破坏性读取的问题，显著提升读取速率，降低器件功耗；与此同时，根据本发明的互补型阻变存储器无需额外的选择器件，结构简单，对于互补型阻变存储器的发展具有重要价值。

附图说明

[0023] 通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

[0024] 图1是传统互补型阻变存储器的I-V曲线；

[0025] 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；

[0026] 图3是根据本发明的实施例的互补型阻变存储器的结构示意图；

[0027] 图4是根据本发明的实施例的互补型阻变存储器的单个电化学金属化存储单元在较小电压下的易失性I-V曲线；

[0028] 图5是根据本发明的实施例的互补型阻变存储器的非破坏性读取方法的步骤示意图。

具体实施方式

[0029] 以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

[0030] 图3是根据本发明的实施例的互补型阻变存储器的结构示意图。

[0031] 参照图3，根据本发明的实施例的互补型阻变存储器包括依次叠层设置的惰性电极层110、阻变材料层120、活性电极层130、活性电极层130、阻变材料层120和惰性电极层110。

[0032] 具体地，在本实施例中，惰性电极层110的材料为金属Pt，阻变材料层120的材料为TiO2，活性电极层130的材料为金属Cu；惰性电极层110的厚度为100nm，阻变材料层120和活性电极层130的厚度均为50nm；但本发明并不限制于此，例如，惰性电极层110的材料还可以是Pd、Au等金属，活性电极层130的材料还可以是Ag、Ni等金属，而阻变材料层120的材料还可以是GeSx(0＜x＜2)、AgSx(0＜x＜0.5)等硫化物固态电解质或ZrO2、Ta2O5等氧化物固态电解质；而惰性电极层110和活性电极层130的厚度控制在30nm～500nm的范围内、阻变材料层120的厚度控制在5nm～100nm的范围内即可。

[0033] 惰性电极层110、活性电极层130的制备方法可以是电子束蒸发法、热蒸发法、磁控溅射法等，而阻变材料层120的制备方法可以是化学气相沉积法、物理气相沉积法、电子束蒸发法、溅射法、原子层沉积法、热蒸发法、溶胶凝胶法等。上述惰性电极层110、阻变材料层120以及活性电极层130的制备工艺均属本领域技术人员惯用手段，此处不再详细赘述。

[0034] 值得说明的是，上述互补型阻变存储器其实质是两个电化学金属化存储单元(以下简称ECM单元)实现反串联连接得到，其中单个ECM单元的结构为惰性电极层110/阻变材料层120/活性电极层130。当单个ECM单元处于高阻态时，其在适当电压驱动下，即向活性电极层130施加正向阈值偏压时，阻变材料层120内部会形成导电细丝或隧穿通道，该ECM单元的电阻会由高阻态变为介于高阻态(以下简称HRS)与低阻态(以下简称LRS)之间的易失电阻态(以下简称VRS)；当撤销电压后，上述导电细丝或隧穿通道消失，该ECM单元会由VRS自发恢复到HRS。图4示出了单个电化学金属化存储单元在较小电压下的易失性I-V曲线，从图4中可以看出，ECM单元的初始态为HRS，对其施加第一正向阈值偏压Vth,1时，该ECM单元发生转变；在随后的扫描电压下降过程中，在电压为第二正向阈值偏压Vth,2处，该ECM单元自发地恢复为HRS，呈现出类似二极管的回滞曲线特征，这说明该ECM单元的电阻转变在特定电压(Vth,1＜V＜Vth,2)下为易失性的，而处于HRS的ECM单元在受到第一正向阈值偏压Vth,1时即转变至VRS。

[0035] 图5是根据本发明的实施例的互补型阻变存储器的非破坏性读取方法的步骤示意图。

[0036] 参照图5，当该互补型阻变存储器的初始状态为“0”状态，其前两步的操作与图2中传统互补型阻变存储器的破坏性读取方法的步骤相同，此处不再赘述。第三步对经由前两步的处于“1”状态的互补型阻变存储器施加“读”偏压(Vth,1Vth,2)，该处于“1”状态的互补型阻变存储器变为“0”状态，相应地，产生电流。

[0037] 根据本发明的实施例的互补型阻变存储器利用单个ECM单元的易失性特性，当对其施加“读”偏压(Vth,1

[0038] 值得说明的是，在上述实施例中，根据本发明的实施例的互补型阻变存储器的结构为依次叠层设置的惰性电极层110、阻变材料层120、活性电极层130、活性电极层130、阻变材料层120和惰性电极层110；但本发明并不限制于此，例如，在本发明中，互补型阻变存储器的结构还可以是依次叠层设置的活性电极层130、阻变材料层120、惰性电极层110、惰性电极层110、阻变材料层120和活性电极层130。

[0039] 本领域技术人员将理解的是，两个相同结构的ECM单元在反串联连接时，可以是两个相同的活性电极层130相邻(如本发明的实施例)，或者是两个相同的惰性电极层110相邻，相邻的两个相同的活性电极层130或惰性电极层110可以合并为一层或是舍弃其中的一层，也就是说，两个ECM单元共用同一个活性电极层130或惰性电极层140，因此根据本发明的互补型阻变存储器的结构也可以表述为依次叠层设置的惰性电极层110、阻变材料层120、活性电极层130、阻变材料层120和惰性电极层110，或依次叠层设置的活性电极层130、阻变材料层120、惰性电极层110、阻变材料层120和活性电极层130。

[0040] 根据本发明的实施例的互补型阻变存储器无需额外的选择器件即可实现非破坏性读取，不仅简化了该互补型阻变存储器的结构，还有利于提升读取速率，降低功耗，其对于互补型阻变存储器的发展具有重要价值。

[0041] 虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。