專利名稱：一種高密度電阻型隨機存儲單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于存儲器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高密度電阻型隨機存儲單元。
背景技術(shù)：
電阻型隨機存儲器RRAM具有高速、低功耗、高密度以及與CMOS工藝兼容的優(yōu)點， 在性能、成本、速度上有很大的優(yōu)越性，其綜合性能指標在新型非易失存儲技術(shù)中居于前列。電阻型隨機存儲器RRAM是指存儲材料可以在不同的電信號作用下，可逆地在高阻和低阻間轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)信號的存儲。具有電阻轉(zhuǎn)換特性的材料有很多種，包括二元和多元金屬氧化物、摻雜的鐵電材料甚至有機材料等。電阻型隨機存儲器RRAM的獨立式應(yīng)用要求存儲單元具有小的尺寸以實現(xiàn)高密度存儲。但是，由于編程電流的限制，使得晶體管的尺寸難以縮小。因此，電阻型隨機存儲器 RRAM存儲單元的尺寸一般在14F2(F代表特征線寬)以上。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述背景技術(shù)中提到的現(xiàn)有阻變存儲器受編程電流限制而導(dǎo)致體積難以縮小的不足，本發(fā)明提出了一種高密度電阻型隨機存儲單元。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種高密度電阻型隨機存儲單元，其特征是該存儲單元的阻變部分嵌入在晶體管的柵氧化層和柵電極層之間；所述阻變部分包括上電極、阻變層、下電極，上電極在阻變層之上；阻變層在下電極之上。所述寫操作是在阻變層進行的。所述讀操作是在阻變層的兩端進行的。所述阻變層為金屬氧化物、有機材料或碳基材料。所述上電極為鈦Ti、鉬Pt、鎢W、銅Cu或多晶硅。所述下電極為鈦Ti、鉬Pt、鎢W、銅Cu或多晶硅。本發(fā)明提出的存儲單元可以有效減小MOS管的面積，大大提高了電阻型隨機存儲器RRAM的存儲密度。


圖1為ITlR結(jié)構(gòu)的RRAM存儲單元。圖2為ITlR結(jié)構(gòu)的阻變單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的存儲單元。圖4為本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明的阻變層的結(jié)構(gòu)示意具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。本發(fā)明提出了一種新的電阻型隨機存儲器RRAM存儲單元，該存儲器的寫操作和讀操作分別在兩個通路進行，其阻變層嵌入在選擇晶體管的柵氧化層和柵電極之間，通過晶體管溝道的柵極隧穿電流對阻變層的控制來進行寫操作，讀操作直接在阻變層的兩端進行，和現(xiàn)有電阻型隨機存儲器RRAM相比，大大縮小了的體積，可用于實現(xiàn)高密度的獨立式 RRAM存儲芯片。下面通過與普通的ITlR存儲單元結(jié)構(gòu)的比較來說明本發(fā)明的特征。典型的ITlR 單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看到，1個RRAM阻變單元和1個晶體管串聯(lián)組成了 1個有源結(jié)構(gòu)，即 RRAM存儲單元。定義RRAM單元為低阻態(tài)時晶體管的開啟電壓為VthL ；RRAM單元為高阻態(tài)時晶體管的開啟電壓為VthH。圖2是普通的ITlR存儲單元中可變電阻對應(yīng)的阻變單元結(jié)構(gòu)示意圖，阻變單元由1層阻變材料和上下電極構(gòu)成。當(dāng)PL端輸入低電平GND、BL端輸入高電平VDD時，如果札端輸入電平高于晶體管的VthH，則晶體管溝道導(dǎo)通，RRAM存儲單元被訪問，RRAM存儲單元兩端被施加了一個正向的電壓降。當(dāng)該電壓降大于RRAM存儲單元的set過程的阻變閾值時，RRAM器件轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)，即完成了寫“1”的過程。反之，當(dāng)BL端輸入低電平GND、PL端輸入高電平VDD時，如果WL端輸入的電壓小于VthL，不足以開啟晶體管時，晶體管處相當(dāng)于斷開了，此時RRAM存儲單元不會被訪問，RRAM存儲單元兩端被施加了一個負向的電壓降。當(dāng)該電壓降大于RRAM 存儲單元的reset過程的阻變閾值時，RRAM器件又變回高阻態(tài)，完成了寫“0”的過程。阻變部分高阻和低阻狀態(tài)分別對應(yīng)于“0”和“ 1 ”。由上述過程可知，在阻變部分的面積參數(shù)確定的情況下，選擇晶體管的溝道寬度取決于set和reset過程所需要的電流。由于set/reset電流較大，因此，可選擇的晶體管的溝道寬度遠大于特征尺寸。也就是說，常規(guī)的ITlR結(jié)構(gòu)的RRAM存儲單元的尺寸主要由可選擇的晶體管的尺寸決定。這使得RRAM的存儲密度的提高變得困難。本發(fā)明提出的阻變部分嵌入在晶體管柵氧化層和柵電極之間，該結(jié)構(gòu)可以大大減小晶體管的面積。圖3是本發(fā)明的存儲單元；圖4是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是本發(fā)明的阻變層的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，阻變部分由上、下電極和阻變層三部分組成。阻變層可以由各種金屬氧化物(如過渡金屬氧化物CuO (氧化銅)、NiO (氧化鎳)和鈣鈦礦氧化物BaTiO3 (鈦酸鋇)等)、有機材料(酞菁銅=CuTCNQ等)以及碳基材料(如石墨烯等)等在一定電流下可以實現(xiàn)電阻的阻值變化的材料構(gòu)成。上、下電極的材料選擇和一般ITlR結(jié)構(gòu)阻變單元的電極相同，可選鈦Ti、鉬Pt、鎢W、銅Cu或多晶硅等材料。本發(fā)明的RRAM存儲單元的工作過程為在進行寫“0”操作時，在WL端輸入高電平，晶體管導(dǎo)通。此時，BL輸入高電平，PL輸入低電平，通過晶體管的隧穿氧化層提供set 電流(熱電子電流或F-N隧穿電流)，阻變部分轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)；進行寫“1”操作時，在WL端輸入高電平，晶體管導(dǎo)通。BL輸入低電平，PL輸入高電平，通過晶體管的隧穿氧化層提供 reset電流(熱電子電流或F_N隧穿電流)，阻變部分轉(zhuǎn)變成高阻態(tài)。
由于寫操作時通過晶體管的柵氧化層提供電流，通過電流的面積為溝道長度和寬度的乘積。而對于普通的ITlR結(jié)構(gòu)，電流通過的面積是溝道反型層厚度和溝道寬度的乘積。由于溝道長度遠大于反型層厚度，因此，嵌入式結(jié)構(gòu)中晶體管的溝道寬度遠小于普通 ITlR結(jié)構(gòu)中晶體管的溝道寬度。溝道寬度減小的比例等于溝道長度和反型層厚度的比值。 一般情況下，該比值大于10。也就是說，采用嵌入式RRAM存儲單元，晶體管的面積減小到原來的1/10以下。因此可以大大提高RRAM的存儲密度。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種高密度電阻型隨機存儲單元，由晶體管和電阻型隨機存儲單元組成，其特征是該存儲單元的阻變部分嵌入在晶體管的柵氧化層和柵電極層之間；所述阻變部分包括上電極、阻變層、下電極，上電極在阻變層之上；阻變層在下電極之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種高密度電阻型隨機存儲單元，其特征是所述寫操作是在阻變層進行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種高密度電阻型隨機存儲單元，其特征是所述讀操作是在阻變層的兩端進行的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高密度電阻型隨機存儲單元，其特征是所述阻變層為金屬氧化物、有機材料或碳基材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高密度電阻型隨機存儲單元，其特征是所述上電極為鈦 Ti、鉬Pt、鎢W、銅Cu或多晶硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高密度電阻型隨機存儲單元，其特征是所述下電極為鈦 Ti、鉬Pt、鎢W、銅Cu或多晶硅。
全文摘要
本發(fā)明公開了存儲器技術(shù)領(lǐng)域中的一種高密度電阻型隨機存儲單元。該存儲單元的阻變部分嵌入在晶體管柵氧化層和柵電極層之間，通過晶體管溝道向柵極的隧穿電流對阻變層進行寫操作，對存儲單元的讀操作直接在阻變層兩端進行。該存儲單元可以有效減小晶體管的體積，大大提高了電阻型隨機存儲器的存儲密度。
文檔編號G11C11/56GK102208531SQ20111007668
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者張樹超, 焦斌, 鄧寧, 陳培毅 申請人:清華大學(xué)