阻变存储器单元结构及集成

阻变存储器单元结构及集成

1.1 交叉阵列中的串扰

图1. 1.1 交叉阵列结构集成中的串扰现象

阻变存储器被认为是很有潜力的下一代存储器的候选者。它具有电阻转变速度快、功耗低、存储密度高和良好的可缩小性特点。由于具有最小的单元面积4F2，交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。但是，目前所报道的阻变存储器的低阻态I-V特性曲线几乎是线性且对称的（类似于电阻特性），在一个最简单的2×2交叉阵列结构中，如果有一个存储器单元处于高阻态而其他三个单元处于低阻态，在读取该高阻态的存储单元状态时电流将沿着三个处于低阻态的存储器单元形成一条漏电通道，如图1. 1.1所示，这就是串扰。当阵列m×n（m, n>2）变得很大时，所述漏电通道将增多，漏电流增大从而导致误读。目前解决误读最有效的方法就是在每个存储单元上集成一个晶体管或者二极管构成有源结构和无源结构。

1.1.1 有源结构

在有源结构单元中，使用一个晶体管和阻变存储器串联来形成one transistor one resistor（1T1R）。如图1.1.1所示，在1T1R结构中，晶体管起到选通和隔的作用。当对阻变存储器单元操作时，晶体管导通，这样就选择了所需操作的单元；而其他阻变存储器单元的晶体管关闭，这样能够避免对周围单元产生串扰和误操作，起到隔离的作用。1T1R结构中器件的最小面积取决于选择晶体管的大小，最小单元面积为6F2。2002年Zhuang等人首次采用0.5 μm CMOS工艺制备了基于1T1R结构的64位的RRAM阵列。1T1R结构集成时是将晶体管在前端工艺完成，而RRAM存储器件则在后端工艺完成，由于RRAM存储器在后端工艺完成，所以必须考虑热预算，工艺温度不可过高。

图1.1.1 1T1R 结构阻变存储器单元示意图

1.1.2 无源交叉阵列结构

相比于有源结构单元，由于具有最小的单元面积4F2，无源的交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。在交叉阵列结构中，通过相互垂直的上下电

极导线来实现存储单元的选择。无源交叉阵列结构的RRAM制备工艺简单，能够有效地提高器件良率，降低成本。采用交叉阵列集成可以将单元面积做到4F2（F 为特征线宽），大大提高RRAM器件的存储密度。Heath小组利用超晶格纳米线转移的方法制作的基于有机物的16 Kb交叉存储阵列，密度达到1011bits/cm2 。采用无源交叉阵列结构的另一个优点就是CMOS电路在前端制程完成，而存储器在后端制程制备，这样就可以将CMOS电路制造和存储器单元制备完全分开，有利于提高芯片良率。同时，采用无源交叉阵列结构还可以采用三维的多层集成，这样每个存储单元的面积为4F2/N（N为叠层的层数），存储密度成倍提高。（如图1.1.2）

图1.1.2 交叉阵列结构示意图

为了解决串扰问题，可以给每一个存储节点串联一个整流二极管，形成one diode one resistor（1D1R）存储单元结构。图1. 1.3是将二极管和存储器单元串联起来形成的1D1R结构等效电路示意图。和1T1R结构中的晶体管作用类似，1D1R 结构采用二极管来选择所需操作的存储单元。采用1D1R结构，由于整流二极管的整流作用，电流只能从一个方向流过RRAM器件，图1. 1.3虚线所示的漏电通道被截止，从而有效地抑制了交叉阵列结构集成中的串扰现象。在Lee等人制备的双层1D1R结构8×8阵列中，RRAM器件具有整流效应且电阻值能在高低阻态之间转换，层与层之间没有观测到明显的干扰。采用1D1R结构的交叉阵列单元最小面积也是4F2，并且可以3D集成，因此存储密度可以做得很高。

图1.1.3 1D1R 阻变存储器单元结构示意图

1D1R 结构中目前急需解决的一个问题是找到合适的与阻变存储器串联的整流二极管。选择整流二极管的主要标准是高的正向电流密度、高的整流比和制备温度低。基于Si 材料的二极管的电流密度和整流比都比较高，但是Si 二极管的制备温度都很高，且不容易在金属电极材料上外延得到质量很好的Si，不适合于RRAM 在后端制程中的集成。鉴于此，研究人员将目光投向了同RRAM功能层材料一样的氧化物。基于氧化物的二极管可以在低温甚至是室温下制备，与CMOS 工艺兼容，制备用于RRAM 器件1D1R 结构中的基于氧化物的二极管也是目前一个研究热点。表1.1.1 给出了目前研究报道的可用做RRAM 器件整流的氧化物二极管器件性能参数。

基于氧化物的二极管也包含肖特基型和PN结型二极管。Shin等人在250 ℃的温度下制备的肖特基型Pt/(In,Sn)2O3/TiO2/Pt二极管的整流比达到了1.6×104（±1V 的读取电压），将其与Pt/TiO2/Pt存储器件串联后成功地实现了RRAM器件高低电阻状态的转变并且具有明显的整流特性。Lee 等人研究了基于p-CuO x/n-InZnO x 的PN结型整流二极管的特性，二极管的正向电流密度超过了104A/cm2（2 V读电压），并将其成功地应用到了双层8×8阵列结构中，整个存储单元的操作电压约为3 V。同时，他们还发现，二极管的电流密度随着氧化物的禁带宽度减小而增大，这将对提高基于氧化物PN结型整流二极管的电流密度具有方向性的指导意义。相比较而言，肖特基型的二极管的操作电压较小，而PN结型的二极管的电流密度则比较高。

表1.1.1 部分报道的可用于RRAM 的氧化物二极管

到目前为止，用于RRAM整流的二极管的电流密度还不是很高，Shima等人将整流二极管面积做得比阻变存储器大来提供足够大的电流，但这样会使得阵列中整个存储单元的面积大于4F2，降低了阵列的存储密度，减小交叉阵列的优势。1D1R结构集成中需要解决的问题是继续提高整流二极管的电流密度和整流比，这样才能为RRAM器件的读写提供足够大的电流和有效地抑制交叉阵列中器件

之间的串扰。

此外，文献中报道的这些普通的单向导通二极管只适用于电阻转变过程发生在同一极性电压下面的单极性阻变存储器。而对于阻变过程发生在不同电压极性下的双极性阻变存储器则需要串联一个更复杂的类似于Zener二极管的双向导通二极管。在Zener二极管中，正向的电流电压特性类似于普通的二极管，而当负向电压达到击穿电压（Zener电压）时二极管也会有很大的反向电流流过。作为串联在双极性阻变存储器上的Zener二极管，需要满足三个基本条件：1）为了抑制漏电流需要在一定的读电压下二极管正反向电流比很高；2）为了得到合适的器件操作电压需要二极管的Zener电压尽量小；3）为了保证电阻转变过程需要二极管正反向电流密度都很大。然而，在同一Zener二极管中很难同时满足以上三个条件，从而在一定程度上制约了双极性1D1R结构的发展。

解决交叉阵列结构集成中串扰的另一个有效办法就是开发具有自整流效应的RRAM。最近，在基于a:Si的阻变存储器中观察到了自整流效应，这使得不需要串联上外接的二极管就能够解决串扰问题变得有可能。而如果能够在目前被大量研究的过渡金属氧化物阻变存储器中获得这样的自整流效应更加具有意义。此外，揭示自整流效应的物理本质可以能够更好的设计所需特性的器件。