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1、(10)申请公布号 CN 103345935 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103345935 A *CN103345935A* (21)申请号 201310218048.5 (22)申请日 2013.06.03 G11C 8/08(2006.01) G11C 8/16(2006.01) (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区 100084-82 信箱 (72)发明人 吴华强 吴明昊 白越 张烨 钱鹤 (74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事 务所 ( 普通合伙 ) 11201 代理人 张大威 (54) 发明名称 具有异质结结构的阻变存储器及其读。
2、取方法 (57) 摘要 本发明提出一种具有异质结结构的阻变存 储器， 其阻变存储单元包括 ： 下电极 ； 形成在下电 极之上的阻变层 ； 形成在阻变层之上的附加氧化 层， 其中， 附加氧化层与阻变层构成异质结结构， 下电极通过金属互连与阻变存储器的字线或位线 中的其一相连， 异质结结构通过金属互连与阻变 存储器的字线或位线中的另一相连， 字线与位线 呈横纵交叉。本发明还提出一种具有异质结结构 的阻变存储器的读取方法， 采用本发明公开的具 有异质结结构的阻变存储器， 包括以下步骤 ： 在 所述阻变存储单元对应的字线或位线的其一加电 压 +0.5Vread， 在所述阻变存储单元对应的字线 或位线的。
3、另一加电压 -0.5Vread， 读取数据。本发 明具有稳定可靠， 读取准确的优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103345935 A CN 103345935 A *CN103345935A* 1/1 页 2 1. 一种具有异质结结构的阻变存储器， 其特征在于， 阻变存储器中的阻变存储单元包 括 ： 下电极 ； 形成在所述下电极之上的阻变层 ； 形成在所述阻变层之上的附加氧化层， 其中， 所述附加氧化层与所述阻变层构成异质。
4、结结构， 所述下电极通过金属互连与阻 变存储器的字线或位线中的其一相连， 所述异质结结构通过金属互连与阻变存储器的字线 或位线中的另一相连， 所述字线与位线呈横纵交叉。 2. 如权利要求 1 所述的具有异质结结构的阻变存储器， 其特征在于， 所述阻变层与所 述附加氧化层之间还包括上电极。 3.如权利要求1或2所述的具有异质结结构的阻变存储器， 其特征在于， 所述阻变层为 TiOx层 ； 附加氧化层为 WOx。 4. 一种具有异质结结构的阻变存储器的读取方法， 其特征在于， 采用权利要求 1-3 任 一项的具有异质结结构的阻变存储器， 包括以下步骤 ： 在所述阻变存储单元对应的字线或位线的其一加。
5、电压 +0.5Vread， 在所述阻变存储单 元对应的字线或位线的另一加电压 -0.5Vread， 读取数据。 5. 如权利要求 4 所述的具有异质结结构的阻变存储器的读取方法， 其特征在于， 所述 Vread 为 1V。 权 利 要 求 书 CN 103345935 A 2 1/4 页 3 具有异质结结构的阻变存储器及其读取方法 技术领域 0001 本发明属于新型半导体器件制造领域， 尤其涉及一种具有异质结结构的阻变存储 器及其读取方法。 背景技术 0002 随着半导体技术的不断发展和电子设备在社会中的进一步普及， 特别是手机等 便携电子的普及和特殊电子设备如医疗仪器等的发展， 微电子尺寸在。
6、不断地进行缩小过 程。同时影音娱乐等的发展导致数据规模不断增大， 进而导致存储器， 特别是非易失性存 储器的应用变得越来越重要。当今社会的非易失性存储器中 FLASH 存储器占据着绝对主 流， 但是随着微电子尺寸进入 10 纳米以下， 传统的 FLASH 存储器出现了大量的缺陷。而新 型阻变存储器 （RRAM） 有着众多的优势， 包括良好的可缩小性能、 方便进行 3D 堆叠、 结构简 单、 存储密度高、 操作电压低、 操作电流小、 读写速度快、 功耗低、 且与传统 CMOS 兼容等。新 型阻变存储器 RRAM 结构为上下电极间填充一元或多元金属氧化物的三明治结构， 其中填 充的一元或多元金属氧。
7、化物层为阻变层。其工作机理是根据施加在此结构上的电压的不 同， 阻变层的电阻在高阻态和低阻态间发生相应变化， 从而开启或阻断电流流动通道， 利用 高阻和低阻状态的显著差别储存信息。在由存储单元制作存储阵列时， 纵横交互矩阵结构 （cross-bar） 以存储密度大等优点成为世界各地研究组的首选。 然而， 纵横交互矩阵结构阻 变存储器因为漏电流和结构本身的原因， 某一阻变存储单元的状态很可能对临近单元造成 影响， 形成误操作， 成为纵横交互结构致命的缺点。 0003 具体地， 图 1 为常规的纵横交互矩阵结构 （cross-bar） 阻变存储器 （RRAM） 的结构 示意图， 其中， 横线表示字。
8、线或位线中的一种， 竖线表示字线或位线中的另一种， 字线位线 交叉处的为之间的方块儿表示的是阻变存储单元， 每个阻变存储单元都有高低阻两种状态 来存储数据 0 和 1。只需要选择一条字线和一条位线就可以来选定某个位置的阻变存储单 元， 从而可以对此该单元进行数据的写入和读出。 0004 图 2 为常规的纵横交互矩阵结构 （cross-bar） 的误操作的示意图。选择竖线 A 和 横线B则选定了一个高阻单元， 读的时候分别施加0V和+1V的电压 （即读电压Vread为1V） ； 假若附近三个单元都是低阻， 由图中电流线可以发现读出的结果是低阻， 因此造成了误操 作， 导致了不良后果。 发明内容 。
9、0005 本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商 业选择。 为此， 本发明的一个目的在于提出一种稳定可靠、 读取准确的具有异质结结构的阻 变存储器。本发明的另一个目的在于提出一种稳定可靠、 读取准确的具有异质结结构的阻 变存储器的读取方法。 0006 为达到上述目的， 本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器， 其阻变存储单 元包括 ： 下电极 ； 形成在所述下电极之上的阻变层 ； 形成在所述阻变层之上的附加氧化层， 说 明 书 CN 103345935 A 3 2/4 页 4 其中， 所述附加氧化层与所述阻变层构成异质结结构， 所述下电极通过金属互连与阻变存 储。
10、器的字线或位线中的其一相连， 所述异质结结构通过金属互连与阻变存储器的字线或位 线中的另一相连， 所述字线与位线呈横纵交叉。 0007 优选地， 所述阻变层与所述附加氧化层之间还包括上电极。 0008 优选地， 所述阻变层为 TiOx层 ； 附加氧化层为 WOx。 0009 由上可知， 根据本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器具有稳定可靠、 读 取准确的优点。 0010 为达到上述目的， 本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器的读取方法， 采 用本发明公开的具有异质结结构的阻变存储器， 包括以下步骤 ： 在所述阻变存储单元对应 的字线或位线的其一加电压 +0.5Vread， 在所述阻变存。
11、储单元对应的字线或位线的另一加 电压 -0.5Vread， 读取数据。 0011 优选地， 所述 Vread 为 1V。 0012 由上可知， 根据本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器的读取方法具有稳 定可靠、 读取准确的优点。 0013 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明 0014 本发明的上述和 / 或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解， 其中 ： 0015 图 1 是常规的纵横交互矩阵结构阻变存储器的结构示意图 ； 0016 图 2 是常规的纵横交互矩阵结构阻变存储。
12、器的误操作的示意图 ； 0017 图 3 是本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器的阻变存储单元的结构示 意图 ； 0018 图 4 是 WOx、 TiOx、 TiOx/WOx的电流电压特性曲线图 ； 0019 图 5 是 TiOx/WOx的高阻、 低阻和导通状态的示意图 ； 0020 图 6 是本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器的读取方法示意图。 具体实施方式 0021 下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的， 旨在用于解释本发明， 而不能理。
13、解为对本发明的限制。 0022 在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心” 、“纵向” 、“横向” 、“长度” 、“宽度” 、 “厚度” 、“上” 、“下” 、“前” 、“后” 、“左” 、“右” 、“竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底” “内” 、“外” 、“顺时 针” 、“逆时针” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于 描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特 定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。 0023 此外， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要。
14、性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此， 限定有 “第一” 、“第二” 的特征可以明示或 说 明 书 CN 103345935 A 4 3/4 页 5 者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个” 的含义是两个或两个以 上， 除非另有明确具体的限定。 0024 在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相连” 、“连接” 、“固定” 等 术语应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接 ； 可以是机 械连接， 也可以是电连接 ； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元 件内部的连通。对于本领域的普通。
15、技术人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本发 明中的具体含义。 0025 在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 第一特征在第二特征之 “上” 或之 “下” 可以包括第一和第二特征直接接触， 也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它 们之间的另外的特征接触。而且， 第一特征在第二特征 “之上” 、“上方” 和 “上面” 包括第一 特征在第二特征正上方和斜上方， 或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征 在第二特征 “之下” 、“下方” 和 “下面” 包括第一特征在第二特征正下方和斜下方， 或仅仅表 示第一特征水平高度小于第二特征。 0026 针对上述背景技术中提到的纵横交。
16、互矩阵结构中漏电流造成的致命影响， 本发明 旨在提出一种能够消除相邻节点单元之间的漏电流影响的具有异质结结构的阻变存储器 及其读取方法。本发明的核心思想为 ： 在每个传统的氧化钛阻变单元上堆叠一层氧化钨附 加氧化层， 从而使附加氧化层同阻变层构成氧化钛/氧化钨异质结结构， 利用氧化钛/氧化 钨异质结结构的特殊性质， 消除相邻单元漏电流的相互影响。 0027 如图 3 所示， 根据本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器中的阻变存储单 元包括 ： 下电极 100 ； 形成在下电极 100 之上的阻变层 200 ； 形成在阻变层 200 之上的附加 氧化层300， 其中， 附加氧化层300与阻变层。
17、200构成异质结结构， 下电极100通过金属互连 与阻变存储器的字线或位线中的其一相连， 异质结结构通过金属互连与阻变存储器的字线 或位线中的另一相连， 字线与位线呈横纵交叉。尽管与字线位线的连接关系并未在图 3 中 体现出， 但这属于本领域技术人员的公知， 本文不再赘述。 0028 优选地， 阻变层 200 与附加氧化层 300 之间还包括上电极 400。需要说明的是， 上 电极 400 为可选的。如果使用上电极 400， 整个材料体系会较为稳定， 但性能不够好 ； 如果 不使用上电极 400， 整个材料体系性能较好， 但不够稳定。 0029 优选地， 所述阻变层为TiOx层 ； 附加氧化层。
18、为WOx。 图4示出了WOx、 TiOx、 以及TiOx/ WOx异质结的电流电压特性曲线图， 从中可以推导出图 5 所示的 TiOx/WOx异质结结构的高 阻、 低阻和导通状态的示意图。由图可知， 同高阻、 低阻两种状态的阻变存储器相比， TiOx/ WOx异质结结构的阻变存储器具有三个状态 ： 高阻、 低阻、 导通。起始状态中， 氧化钨和氧化 钛层可以为任意阻值。从零到读电压 Vread， 结构总电阻值基本不变。从读电压 Vread 到擦 除电压 Vset， 氧化钨层被操作为或保持为低阻， 氧化钛层被操作为或保持为高阻， 此状态为 “高阻” 状态 ； 从零到写电压 Vreset， 氧化钨层。
19、被操作为高阻， 氧化钛层被操作为低阻， 此状 态为 “低阻” 状态。读电压 Vread 可以操作氧化钨层由高阻变成低阻， 却无法操作氧化钛层， 因此对 “高阻” 状态施加读电压 Vread 则读出仍为高阻 ； 而对 “低阻” 状态施加读电压 Vread 则使异质结结构电阻更低， 此状态为 “导通” 状态。因此， 具有此异质结结构的阻变存储器 以 “导通” 状态来进行数据存储的 “1” ， 以 “高阻” 和 “低阻” 状态来进行数据存储的 “0” ， 因 此具有此异质结结构的阻变存储器可以读取状态更为准确。 说 明 书 CN 103345935 A 5 4/4 页 6 0030 由上可知， 根据。
20、本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器具有稳定可靠、 读 取准确的优点。 0031 根据本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器的读取方法， 采用本发明公开 的具有异质结结构的阻变存储器， 包括以下步骤 ： 在阻变存储单元对应的字线或位线的其 一加电压 +0.5Vread， 在阻变存储单元对应的字线或位线的另一加电压 -0.5Vread， 读取数 据。 0032 优选地， 读电压 Vread 为 1V, 即读取操作时字线位线分别加正负 0.5V 电压。需要 说明的是， 读操作的电压值可根据器件的不同设计要求、 不同材料体系而变化， 但其实施的 方法和原理一致。 0033 为使本领域技术人员更。
21、好地理解本发明的具有异质结结构的阻变存储器的读取 方法， 结合图 6 的实施例做进一步介绍。如图 6 所示， 在读取操作的情况下， 由横竖线 AB 选 定的阻变存储单元两端的电压均为 1V， 参看图 4 和图 5， 若此时被选定的单元为 “低阻” ， 则 不论附近单元为何阻值，“低阻” 状态的单元被直接操作为 “导通” 状态， 可直接根据 “导通” 状态准确读出数据 “1” ； 若此时被选定单元为 “高阻” ， 附近单元为 “低阻” ， 则选定单元两端 施加电压差为 1V， 读取状态为 “高阻” ， 临近单元两端施加电压差为 0.5V， 无法由 “低阻” 状 态变为 “导通” 状态， 因此仍然。
22、读出数据 “0” 。由此， 具有异质结的阻变存储器不会出现低阻 产生漏电流的影响， 即图 2 中的电流线中断， 因此不会影响对选定单元阻值状态的读取。 0034 由上可知， 根据本发明实施例的具有异质结结构的阻变存储器的读取方法具有稳 定可靠、 读取准确的优点。 0035 在本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“一些实施例” 、“示例” 、“具体示 例” 、 或 “一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、 材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且， 描述的具体特征、 结。
23、构、 材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 0036 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示例 性的， 不能理解为对本发明的限制， 本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨 的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、 修改、 替换和变型。 说 明 书 CN 103345935 A 6 1/3 页 7 图 l 图 2 说 明 书 附 图 CN 103345935 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103345935 A 8 3/3 页 9 图 6 说 明 书 附 图 CN 103345935 A 9 。