一種實現多值電阻存儲器的方法
2023-10-11 11:56:39 1
專利名稱：一種實現多值電阻存儲器的方法
技術領域：
本發明涉及信息存儲技術領域，具體的涉及到一種實現多值電阻存儲器的方法。
背景技術：
目前主流的非揮髮型存儲器都是基於浮柵式MOS管單元結構。它通過在浮柵中 寫入或擦除電荷來改變MOS管的閾值電壓，根據閾值電壓的高低記憶信息。浮柵型存儲 器的概念最早由D. Kahng和S. M. Sze於1967年提出，基於此概念，半導體工業相繼發展出 EPROM、EEPROM及目前主流的FLASH存儲器。手機、mp3和各種移動電子產品的發展使FLASH 類的非揮發性存儲器擁有非常廣大的市場，並且這一市場還在不斷增大。但是隨著半導體 工業的技術升級和換代，浮柵型存儲器的不足也越來越明顯。第一，浮柵型存儲器在60nm至45nm工藝的縮小化過程中會遇到很大的因難，因為 它的電荷寫入和擦除機制要求柵保持在一定的厚度，該值不能與器件尺寸一同縮小。第二，浮柵存儲單元採用溝道熱電子注入方式向浮柵寫入電荷，編程時源漏電壓 必須大於或等於3. 2V才能使溝道電子獲得足夠穿過隧穿介質層的能量，這限制了浮柵存 儲器功耗的降低。第三，浮柵存儲器的寫入擦除速度低，目前的產品指標都在微秒量級，這大大限制 了它的應用範圍，尤其是集成到嵌入式系統。因此，以高密度、高速低功耗為主要特徵的下一代非揮發性存儲器成為了當前的 研究熱點。電阻式存儲器，是一類正在積極研究中的新型非揮發性存儲器。它具有操作速度 快、功耗低、多狀態記憶、結構簡單、適應於微縮化，與目前的CMOS工藝兼容好等優點，是下 一代非揮發性存儲器的有力的競爭者之一。它的存儲原理是某些薄膜材料能夠具有不同的 電阻狀態，並在一定條件的電壓作用下在不同電阻狀態間轉換，可以施加一較小的電壓來 感測材料的電阻而不引起它的電阻狀態改變。
發明內容
(一)要解決的技術問題電阻存儲器以電阻值來代表所存儲的信息，一個電阻存儲器單元所具有的電阻狀 態越多，所能存儲的信息就越多。比如1個比特位要求2個電阻狀態，2個比特位要求4個 電阻狀態，一般的N個比特位需要2~N個電阻狀態。本發明的主要目的在於提供一種實現 電阻存儲器多電阻狀態的方法，以實現多值存儲，提高電阻存儲器的存儲密度。(二)技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種實現多值電阻存儲器的方法，該方法包括製作電極層/電阻轉變層/電極層這樣三明治結構的電阻存儲器單元，並在電極 層與電阻轉變層交界的電極層表面上製作多個突起的導電尖端，該導電尖端的高度不等；在兩邊電極層加大小不等的電壓，在導電尖端處形成電場，該電場誘導導電細絲在尖端處形成並最終連通兩電極層，實現多值電阻存儲器。上述方案中，所述電極層採用的材料是金屬、低電阻率的高摻雜矽或者TiN。上述方案中，所述電阻轉變層是摻雜或不摻雜的過渡族金屬氧化物，或者是固態 電解質材料。上述方案中，所述導電尖端採用的材料與電極採用的材料相同或者不同，且具有 較好的導電性。上述方案中，所述電極層表面的導電尖端是在製作電極/電阻轉變層/電極這一 結構之前或製作的過程中進行製作的。上述方案中，所述在兩邊電極層加大小不等的電壓，電阻轉變層內部能夠生成連 接兩電極層的導電細絲，使整個三明治結構的存儲器變為低電阻；在適當的大電流作用下， 導電細絲將會斷裂，驅動存儲器變回為高電阻狀態。無論存儲器處於高電阻態或低電阻態， 在較低電壓作用下或是無電壓作用時，電阻都不會改變。上述方案中，所述在兩邊電極層加大小不等的電壓，在導電尖端處形成電場，具體 包括在較小電壓V1作用時，高度最大的導電尖端因為距另一電極最近，其尖端處電場 較其它尖端為大，從而最容易在該處形成導電細絲，此時器件變化到電阻R1 ；若施加一較大電壓V2，高度稍小一些的尖端處也能夠誘導形成導電細絲，電阻變 化到R2,並且R1 > R2 ；依此類推，製做η個高度不等的導電尖端，η為自然數，則器件將處於η+1個電阻 狀態中，從而實現了多值存儲。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有一下有益效果1、利用本發明，由於在同一個電阻轉變器件內實現了多處導電細絲的控制性生 長，所以可以在同一個器件存儲多個電阻狀態，從而實現了多值高密度存儲。2、利用本發明，由於導電細絲在尖端處誘導形成，所以器件的可靠性得到了大大 的提高。
圖1是本發明提供的實現多值電阻存儲器的方法流程圖；圖2是能夠實現2個比特位存儲的電阻存儲器的單元結構，它可以存儲4個電阻 狀態。圖中上下兩層是電極，中間一層是具有電阻轉變功能的材料，白色的突出代表加工出 來的導電尖端。圖3是模擬的兩邊電極加電壓時器件內部的等勢電場線的分布圖，圖中等勢電場 線越密集的區域電場強度越大。從該圖可以看出高度越大的導電尖端處電場強度越大。圖4是加一較小電壓V1時，最高導電尖端處能誘導形成導電細絲而其餘處不行， 器件電阻為R1。圖5是對器件施加一較大電壓V2時，最高和次高導電尖端能誘導形成導電細絲， 器件電阻為R2.圖6是對器件施加更大電壓V3時，三個導電尖端處都能誘導形成導電細絲，器件電阻為R3-應該有R1 > R2 > R3,並且 V1 < V2 < V3O
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明提供的電阻存儲器單元的結構包括上電極層、存儲功能層、下電極層。其 中，上下電極層由導電性好的材料構成，存儲介質層為具有電阻轉變特性的固態電解質或 金屬氧化物材料。在電極層與電阻轉變材料層交界面的那一面，製作嵌入到功能材料層的 導電尖端。在兩電極加電壓時，導電尖端處的電場比同一電極其它地方的電場強，會誘導導 電細絲在尖端處優先形成。如果在同一電極上製做高度不一的導電尖端，在不同大小的電 壓作用，各導電尖端處會先後不一的誘導形成導電細絲，從而使器件能處於不同的電阻狀 態，實現電阻存儲器的多值存儲。如圖1所示，圖1是本發明提供的實現多值電阻存儲器的方法流程圖，該方法包括 以下步驟步驟1 製作電極層/電阻轉變層/電極層這樣三明治結構的電阻存儲器單元，並 在電極層與電阻轉變層交界的電極層表面上製作多個突起的導電尖端，該導電尖端的高度 不等；步驟2 在兩邊電極層加大小不等的電壓，在導電尖端處形成電場，該電場誘導導 電細絲在尖端處形成並最終連通兩電極層，實現多值電阻存儲器。其中，所述電極層採用的材料可以是金屬(如Cu，Pt，W或Ag)、低電阻率的高摻雜 矽或者其它的材料(如TiN)。所述電阻轉變層可以是摻雜或不摻雜的過渡族金屬氧化物， 或者是固態電解質材料。所述導電尖端採用的材料與電極採用的材料相同或者不同，且具 有較好的導電性。電極層表面的導電尖端是在製作電極/電阻轉變層/電極這一結構之前 或製作的過程中進行製作的。另外，所述在兩邊電極層加大小不等的電壓，電阻轉變層內部能夠生成連接兩電 極層的導電細絲，使整個三明治結構的存儲器變為低電阻；在適當的大電流作用下，導電細 絲將會斷裂，驅動存儲器變回為高電阻狀態。無論存儲器處於高電阻態或低電阻態，在較低 電壓作用下或是無電壓作用時，電阻都不會改變。所述在兩邊電極層加大小不等的電壓，在導電尖端處形成電場，具體包括在較小 電壓V1作用時，高度最大的導電尖端因為距另一電極最近，其尖端處電場較其它尖端為大， 從而最容易在該處形成導電細絲，此時器件變化到電阻R1 ；若施加一較大電壓V2，高度稍小 一些的尖端處也能夠誘導形成導電細絲，電阻變化到R2,並且R1 > R2 ；依此類推，製做η個 高度不等的導電尖端，η為自然數，則器件將處於η+1個電阻狀態中，從而實現了多值存儲。下面結合具體的實施例來說明本發明提供的這種實現多值電阻存儲器的方法。把電阻存儲器的存儲單元製做成三明治夾層式的結構，外邊兩層是電極層，裡面 是一層具有電阻轉變功能的材料。在平坦的電極與電阻轉變材料交界面上加工出突出的具 有不同高度的導電尖端，導電尖端與電極可是同種材料，也可以是不同種材料。對兩邊電極 層施加一較小電壓V1時，高度最大的導電尖端因為距另一電極最近，其尖端處電場較其它尖端為大，所以最先在該處誘導形成導電細絲，器件變化到電阻禮。若施加一較大電壓V2， 高度稍小一些的尖端處也能夠誘導形成導電細絲，電阻變化到r2。如果施加更大的電壓，則 會有更多的導電尖端處形成導電細絲，器件從而變化到電阻R3、R4，...。導電細絲形成的越 多，器件的電阻就越小，因此R1 > R2 > R3 > ...。依此方法，製做η個高度不等的導電尖 端，則器件可以處於η+1個電阻狀態中。從而實現了多值存儲。圖2示出了能夠實現2個比特位存儲的電阻存儲器的單元結構，它可以存儲4個 電阻狀態。圖中上下兩層是電極，中間一層是具有電阻轉變功能的材料，白色的突出代表加 工出來的導電尖端。圖3示出了模擬的兩邊電極加電壓時器件內部的等勢電場線的分布圖，圖中等勢 電場線越密集的區域電場強度越大。從該圖可以看出高度越大的導電尖端處電場強度越 大。圖4示出了加一較小電壓V1時，最高導電尖端處能誘導形成導電細絲而其餘處不 行，器件電阻為隊。圖5示出了對器件施加一較大電壓V2時，最高和次高導電尖端能誘導形成導電細 絲，器件電阻為r2。圖6示出了對器件施加更大電壓V3時，三個導電尖端處都能誘導形成導電細絲， 器件電阻為R3。其中，R1 > R2 > R3,並且V1 < V2 < V3。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種實現多值電阻存儲器的方法，其特徵在於，該方法包括製作電極層/電阻轉變層/電極層這樣三明治結構的電阻存儲器單元，並在電極層與電阻轉變層交界的電極層表面上製作多個突起的導電尖端，該導電尖端的高度不等；在兩邊電極層加大小不等的電壓，在導電尖端處形成電場，該電場誘導導電細絲在尖端處形成並最終連通兩電極層，實現多值電阻存儲器。
2.根據權利要求1所述的實現多值電阻存儲器的方法，其特徵在於，所述電極層採用 的材料是金屬、低電阻率的高摻雜矽或者TiN。
3.根據權利要求1所述的實現多值電阻存儲器的方法，其特徵在於，所述電阻轉變層 是摻雜或不摻雜的過渡族金屬氧化物，或者是固態電解質材料。
4.根據權利要求1所述的實現多值電阻存儲器的方法，其特徵在於，所述導電尖端採 用的材料與電極採用的材料相同或者不同，且具有較好的導電性。
5.根據權利要求1所述的實現多值電阻存儲器的方法，其特徵在於，所述電極層表面 的導電尖端是在製作電極/電阻轉變層/電極這一結構之前或製作的過程中進行製作的。
6.根據權利要求1所述的實現多值電阻存儲器的方法，其特徵在於，所述在兩邊電極 層加大小不等的電壓，電阻轉變層內部能夠生成連接兩邊電極層的導電細絲，使整個三明 治結構的存儲器變為低電阻；在適當的大電流作用下，導電細絲將會斷裂，驅動存儲器變回 為高電阻狀態。
7.根據權利要求6所述的實現多值電阻存儲器的方法，其特徵在於，無論存儲器處於 高電阻態或低電阻態，在較低電壓作用下或是無電壓作用時，電阻都不會改變。
8.根據權利要求1所述的實現多值電阻存儲器的方法，其特徵在於，所述在兩邊電極 層加大小不等的電壓，在導電尖端處形成電場，具體包括在較小電壓V1作用時，高度最大的導電尖端因為距另一電極最近，其尖端處電場較其 它尖端為大，從而最容易在該處形成導電細絲，此時器件變化到電阻R1 ；若施加一較大電壓V2,高度稍小一些的尖端處也能夠誘導形成導電細絲，電阻變化到 R2，並且 R1 > R2 ；依此類推，製做η個高度不等的導電尖端，η為自然數，則器件將處於η+1個電阻狀態 中，從而實現了多值存儲。
全文摘要
本發明公開了一種實現多值電阻存儲器的方法，該方法包括製作電極層/電阻轉變層/電極層這樣三明治結構的電阻存儲器單元，並在電極層與電阻轉變層交界的電極層表面上製作多個突起的導電尖端，該導電尖端的高度不等；在兩邊電極層加大小不等的電壓，在導電尖端處形成尖端電場，該電場誘導導電細絲在尖端處形成並最終連通兩電極層，實現多值電阻存儲器。利用本發明，實現了電阻存儲器的多值存儲。
文檔編號H01L45/00GK101964395SQ20091008959
公開日2011年2月2日 申請日期2009年7月22日 優先權日2009年7月22日
發明者劉明, 劉琦, 張森, 龍世兵 申請人:中國科學院微電子研究所