本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，涉及一種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器及其非破壞性讀取方法。

背景技術(shù)：

基于半導(dǎo)體技術(shù)的新型存儲(chǔ)器已廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、數(shù)碼設(shè)備及移動(dòng)存儲(chǔ)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的磁隨機(jī)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和閃存由于自身物理尺寸限制已不能滿足高密度、高速度、大容量存儲(chǔ)的要求；目前，阻變存儲(chǔ)器(RRAM)因具有可縮性強(qiáng)、操作速度快、存取功耗低等特點(diǎn)，已引起了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器制造商的廣泛關(guān)注和研究。

阻變存儲(chǔ)器具備小型化潛力的原因是其可以做成十字交叉陣列(Crossbar Array)結(jié)構(gòu)，即底電極和頂電極呈十字交叉排列，存儲(chǔ)介質(zhì)置于上下電極之間。這種3D存儲(chǔ)構(gòu)架使得每一個(gè)存儲(chǔ)單元可以縮小到4F²/n的尺寸(F為制造工藝的特征尺寸，n為存儲(chǔ)器中十字交叉陣列的層數(shù))。然而，十字交叉陣列在實(shí)際應(yīng)用中有一個(gè)技術(shù)瓶頸問題，操作時(shí)相鄰低阻態(tài)存儲(chǔ)單元的串?dāng)_問題(Crosstalk Problem)。因此，解決十字交叉陣列的串?dāng)_問題對(duì)阻變存儲(chǔ)器的發(fā)展和應(yīng)用至關(guān)重要。

近年來，一種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器(Complementary Resistive Switches，CRS)的概念被提出來，用于解決阻變存儲(chǔ)器在十字交叉陣列中的串?dāng)_問題。對(duì)于CRS器件，二進(jìn)制0和1是通過兩個(gè)反串聯(lián)存儲(chǔ)單元的高阻態(tài)與低阻態(tài)的組合不同實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)器件的電阻始終處于高阻態(tài)，因而可以有效解決串?dāng)_問題。但是這種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器在實(shí)際操作中面臨著破壞性讀取的困難，讀取信息的過程中破壞了原始數(shù)據(jù)，讀取信息后還需要一個(gè)額外的“復(fù)寫”環(huán)節(jié)來恢復(fù)原始信息，這種“復(fù)寫”過程會(huì)增加器件的讀取時(shí)間，增大器件的功耗。

圖1是傳統(tǒng)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的I-V曲線。

參照?qǐng)D1，傳統(tǒng)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的特征是器件在適當(dāng)大小的電壓范圍內(nèi)(V_th,3<V<V_th,1，其中V_th,3<0，V_th,1>0，且|V_th,3|≈|V_th,1|)均為高阻態(tài)(以下簡稱HRS)，并且具備兩個(gè)極向相反的HRS。其中一HRS在施加第一正向閾值偏壓 (V_th,1)時(shí)實(shí)現(xiàn)由HRS到低阻態(tài)(以下簡稱LRS)的轉(zhuǎn)變，另一HRS可在施加第一負(fù)向閾值偏壓(V_th,3)時(shí)實(shí)現(xiàn)由HRS到LRS的轉(zhuǎn)變；當(dāng)施加一大于第二正向閾值偏壓(V_th,2，其中，V_th,2＞V_th,1)或一小于第二負(fù)向閾值偏壓(V_th,4，其中，V_th,4＜V_th,3，且|V_th,4|≈|V_th,2|)的電壓時(shí)，處于LRS的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)由LRS到HRS的轉(zhuǎn)變；因此，定義在(V_th,4，V_th,1)穩(wěn)定的HRS為該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的“1”狀態(tài)，而在(V_th,3，V_th,2)內(nèi)穩(wěn)定的HRS為該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的“0”狀態(tài)；其中，“0”和“1”狀態(tài)可以通過施加一個(gè)“讀”偏壓(V_th,1<V<V_th,2)來識(shí)別，前者(“0”狀態(tài))仍保持HRS，而后者(“1”狀態(tài))則變?yōu)長RS。其中，“1”狀態(tài)下的讀取是破壞性的(該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器變?yōu)長RS)，因此讀取完后還需一個(gè)“寫”操作使該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器復(fù)原為“1”狀態(tài)；“擦”操作可以通過施加一個(gè)大的正向偏壓(V＞V_th,2)來實(shí)現(xiàn)；“寫”操作通過施加一個(gè)大的負(fù)向偏壓(V＜V_th,4)來實(shí)現(xiàn)。類似地，在(V_th,3，V_th,2)內(nèi)穩(wěn)定的HRS為該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的“1”狀態(tài)，則“讀”偏壓需滿足V_th,4<V<V_th,3的條件，相應(yīng)地，“寫”偏壓和“擦”偏壓需分別滿足V<V_th,4和V>V_th,2的條件。值得說明的是，當(dāng)該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器處于“1”狀態(tài)時(shí)，對(duì)其施加“讀”偏壓(V_th,1<V<V_th,2)，則電壓經(jīng)由處于LRS的存儲(chǔ)單元而全部施加給處于HRS的存儲(chǔ)單元，處于HRS的存儲(chǔ)單元變?yōu)長RS狀態(tài)，整個(gè)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器處于LRS狀態(tài)，該狀態(tài)稱為“ON”狀態(tài)。

圖2是傳統(tǒng)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的破壞性讀取方法的步驟示意圖。

參照?qǐng)D2，當(dāng)傳統(tǒng)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的初始狀態(tài)為“0”狀態(tài)，對(duì)其施加“讀”偏壓，其狀態(tài)不發(fā)生變化，沒有電流產(chǎn)生；繼續(xù)對(duì)其施加“寫”偏壓，處于“0”狀態(tài)的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器變?yōu)椤?”狀態(tài)，同時(shí)因中間經(jīng)過“ON”狀態(tài)，因此產(chǎn)生較大的電流；第三步對(duì)該處于“1”狀態(tài)的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器施加“讀”偏壓，處于HRS的存儲(chǔ)單元變?yōu)長RS狀態(tài)，相應(yīng)地，產(chǎn)生電流，整個(gè)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器變?yōu)椤癘N”狀態(tài)；第四步對(duì)該處于“ON”狀態(tài)的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器施加“寫”偏壓，使其恢復(fù)至“1”狀態(tài)，因此該步稱為“復(fù)寫”操作，如圖2中虛線框中所示。

傳統(tǒng)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器在經(jīng)過讀寫后，其狀態(tài)變?yōu)椤癘N”狀態(tài)，若要使其重新變?yōu)椤?”狀態(tài)，需對(duì)其施加一“寫”偏壓，完成“復(fù)寫”操作，“復(fù)寫”操作的進(jìn)行降低了該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的讀取速度，增加了其工作能耗。因此，實(shí)現(xiàn)CRS器件的非破壞性讀取對(duì)于提升互補(bǔ)型阻變存取器的壽命以及互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的商用化均具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器利用單個(gè)高阻態(tài)的電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元在適當(dāng)電壓下的易失性特性，并以該特征作為本征的選通器件，從而實(shí)現(xiàn)了該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的非破壞性讀取。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的反串聯(lián)連接的電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元；所述電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元包括依次疊層設(shè)置的活性電極層、阻變材料層和惰性電極層；其中，當(dāng)所述電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元處于高阻態(tài)時(shí)，向所述活性電極層施加“讀”偏壓時(shí)，所述電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元處于高阻態(tài)與低阻態(tài)之間的易失電阻態(tài)；當(dāng)撤銷所述“讀”偏壓，所述電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元由易失電阻態(tài)自動(dòng)恢復(fù)為高阻態(tài)；所述“讀”偏壓介于第一正向閾值偏壓與第二正向閾值偏壓之間。

進(jìn)一步地，所述互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器包括依次疊層設(shè)置的惰性電極層、阻變材料層、活性電極層、活性電極層、阻變材料層和惰性電極層。

進(jìn)一步地，所述互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器包括依次疊層設(shè)置的活性電極層、阻變材料層、惰性電極層、惰性電極層、阻變材料層和活性電極層。

進(jìn)一步地，所述活性電極層的材料選自Ag、Cu、Ni中的任意一種。

進(jìn)一步地，所述惰性電極層的材料選自Pt、Pd、Au中的任意一種。

進(jìn)一步地，所述阻變材料層選自GeS_x(0＜x＜2)、AgS_x(0＜x＜0.5)、ZrO₂、Ta₂O₅、TiO₂中的任意一種。

本發(fā)明的另一目的還在于提供一種互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的非破壞性讀取方法，所述互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的反串聯(lián)連接的電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元，所述電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元包括依次疊層設(shè)置的活性電極層、阻變材料層和惰性電極層；所述非破壞性讀取方法包括步驟：向處于高阻態(tài)的所述電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元的活性電極層施加“讀”偏壓，所述電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元處于易失電阻態(tài)；當(dāng)撤銷所述“讀”偏壓，所述電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元由易失電阻態(tài)自動(dòng)恢復(fù)為高阻態(tài)；其中，易失電阻態(tài)指所述電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元的電阻介于低阻態(tài)與高阻態(tài)之間的狀態(tài)；所述“讀”偏壓介于第一正向閾值偏壓與第二正向閾值偏壓之間。

進(jìn)一度，所述互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器包括依次疊層設(shè)置的惰性電極層、阻變材料層、活性電極層、活性電極層、阻變材料層和惰性電極層。

進(jìn)一步地，所述互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器包括依次疊層設(shè)置的活性電極層、阻變材料層、惰性電極層、惰性電極層、阻變材料層和活性電極層。

進(jìn)一步地，所述活性電極層的材料選自Ag、Cu、Ni中的任意一種；所述惰性電極層的材料選自Pt、Pd、Au中的任意一種；所述阻變材料層選自GeS_x(0＜x＜2)、AgS_x(0＜x＜0.5)、ZrO₂、Ta₂O₅、TiO₂中的任意一種。

本發(fā)明通過將兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元進(jìn)行反串聯(lián)連接，制備得到了可實(shí)現(xiàn)非破壞性讀取的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器，其可有效避免傳統(tǒng)互補(bǔ)型存儲(chǔ)器破壞性讀取的問題，顯著提升讀取速率，降低器件功耗；與此同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器無需額外的選擇器件，結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)于互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的發(fā)展具有重要價(jià)值。

附圖說明

通過結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，本發(fā)明的實(shí)施例的上述和其它方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，附圖中：

圖1是傳統(tǒng)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的I-V曲線；

圖2是傳統(tǒng)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的破壞性讀取方法的步驟示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的單個(gè)電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元在較小電壓下的易失性I-V曲線；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的非破壞性讀取方法的步驟示意圖。

具體實(shí)施方式

以下，將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，可以以許多不同的形式來實(shí)施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實(shí)施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。在附圖中，為了清楚起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的標(biāo)號(hào) 將始終被用于表示相同或相似的元件。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

參照?qǐng)D3，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器包括依次疊層設(shè)置的惰性電極層110、阻變材料層120、活性電極層130、活性電極層130、阻變材料層120和惰性電極層110。

具體地，在本實(shí)施例中，惰性電極層110的材料為金屬Pt，阻變材料層120的材料為TiO₂，活性電極層130的材料為金屬Cu；惰性電極層110的厚度為100nm，阻變材料層120和活性電極層130的厚度均為50nm；但本發(fā)明并不限制于此，例如，惰性電極層110的材料還可以是Pd、Au等金屬，活性電極層130的材料還可以是Ag、Ni等金屬，而阻變材料層120的材料還可以是GeS_x(0＜x＜2)、AgS_x(0＜x＜0.5)等硫化物固態(tài)電解質(zhì)或ZrO₂、Ta₂O₅等氧化物固態(tài)電解質(zhì)；而惰性電極層110和活性電極層130的厚度控制在30nm～500nm的范圍內(nèi)、阻變材料層120的厚度控制在5nm～100nm的范圍內(nèi)即可。

惰性電極層110、活性電極層130的制備方法可以是電子束蒸發(fā)法、熱蒸發(fā)法、磁控濺射法等，而阻變材料層120的制備方法可以是化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法、濺射法、原子層沉積法、熱蒸發(fā)法、溶膠凝膠法等。上述惰性電極層110、阻變材料層120以及活性電極層130的制備工藝均屬本領(lǐng)域技術(shù)人員慣用手段，此處不再詳細(xì)贅述。

值得說明的是，上述互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器其實(shí)質(zhì)是兩個(gè)電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元(以下簡稱ECM單元)實(shí)現(xiàn)反串聯(lián)連接得到，其中單個(gè)ECM單元的結(jié)構(gòu)為惰性電極層110/阻變材料層120/活性電極層130。當(dāng)單個(gè)ECM單元處于高阻態(tài)時(shí)，其在適當(dāng)電壓驅(qū)動(dòng)下，即向活性電極層130施加正向閾值偏壓時(shí)，阻變材料層120內(nèi)部會(huì)形成導(dǎo)電細(xì)絲或隧穿通道，該ECM單元的電阻會(huì)由高阻態(tài)變?yōu)榻橛诟咦钁B(tài)(以下簡稱HRS)與低阻態(tài)(以下簡稱LRS)之間的易失電阻態(tài)(以下簡稱VRS)；當(dāng)撤銷電壓后，上述導(dǎo)電細(xì)絲或隧穿通道消失，該ECM單元會(huì)由VRS自發(fā)恢復(fù)到HRS。圖4示出了單個(gè)電化學(xué)金屬化存儲(chǔ)單元在較小電壓下的易失性I-V曲線，從圖4中可以看出，ECM單元的初始態(tài)為HRS，對(duì)其施加第一正向閾值偏壓V_th,1時(shí)，該ECM單元發(fā)生轉(zhuǎn)變；在隨后的掃描電壓下降過程中，在電壓為第二正向閾值偏壓V_th,2處，該ECM單元自發(fā)地恢復(fù)為HRS，呈現(xiàn)出類似二極管的回滯曲線特征，這說明該ECM單元的電阻轉(zhuǎn)變?cè)谔囟妷?V_th,1＜V＜V_th,2)下為易失性的，而處于HRS的ECM單元在受到第一正向閾 值偏壓V_th,1時(shí)即轉(zhuǎn)變至VRS。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的非破壞性讀取方法的步驟示意圖。

參照?qǐng)D5，當(dāng)該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的初始狀態(tài)為“0”狀態(tài)，其前兩步的操作與圖2中傳統(tǒng)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的破壞性讀取方法的步驟相同，此處不再贅述。第三步對(duì)經(jīng)由前兩步的處于“1”狀態(tài)的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器施加“讀”偏壓(V_th,1<V<V_th,2)，該電壓經(jīng)由處于LRS的ECM單元直接作用至處于HRS的ECM單元上，因其所具有的易失性，該處于HRS的ECM單元并未變?yōu)長RS，而是變?yōu)榱薞RS，當(dāng)撤銷了該“讀”偏壓后，該處于VRS的ECM單元又自發(fā)恢復(fù)至HRS，該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器重新變?yōu)椤?”狀態(tài)，但該ECM單元由VRS恢復(fù)至HRS的過程需要一定時(shí)間；繼續(xù)對(duì)恢復(fù)至“1”狀態(tài)的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器施加“擦”偏壓(V>V_th,2)，該處于“1”狀態(tài)的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器變?yōu)椤?”狀態(tài)，相應(yīng)地，產(chǎn)生電流。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器利用單個(gè)ECM單元的易失性特性，當(dāng)對(duì)其施加“讀”偏壓(V_th,1<V<V_th,2)后，保持整個(gè)的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器并未由“1”狀態(tài)變?yōu)椤癘N”狀態(tài)，而是在撤消“讀”偏壓后，自動(dòng)恢復(fù)為“1”狀態(tài)，從而免除了對(duì)其施加“寫”偏壓(V<V_th,4)而進(jìn)行的“復(fù)寫”操作，有效地避免了傳統(tǒng)互補(bǔ)型存儲(chǔ)器的破壞性讀取的問題，顯著提升了互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的讀取速率，降低了功耗，對(duì)于實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)單元的3D堆積、推進(jìn)通用互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的商業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

值得說明的是，在上述實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)為依次疊層設(shè)置的惰性電極層110、阻變材料層120、活性電極層130、活性電極層130、阻變材料層120和惰性電極層110；但本發(fā)明并不限制于此，例如，在本發(fā)明中，互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)還可以是依次疊層設(shè)置的活性電極層130、阻變材料層120、惰性電極層110、惰性電極層110、阻變材料層120和活性電極層130。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的ECM單元在反串聯(lián)連接時(shí)，可以是兩個(gè)相同的活性電極層130相鄰(如本發(fā)明的實(shí)施例)，或者是兩個(gè)相同的惰性電極層110相鄰，相鄰的兩個(gè)相同的活性電極層130或惰性電極層110可以合并為一層或是舍棄其中的一層，也就是說，兩個(gè)ECM單元共用同一個(gè)活性電極層130或惰性電極層140，因此根據(jù)本發(fā)明的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)也 可以表述為依次疊層設(shè)置的惰性電極層110、阻變材料層120、活性電極層130、阻變材料層120和惰性電極層110，或依次疊層設(shè)置的活性電極層130、阻變材料層120、惰性電極層110、阻變材料層120和活性電極層130。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器無需額外的選擇器件即可實(shí)現(xiàn)非破壞性讀取，不僅簡化了該互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，還有利于提升讀取速率，降低功耗，其對(duì)于互補(bǔ)型阻變存儲(chǔ)器的發(fā)展具有重要價(jià)值。

雖然已經(jīng)參照特定實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解：在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。