专利名称：一次编程存储器的多值存储方法
技术领域：
本发明涉及一种一次编程存储器的多值存储方法，属于微电子制造及存储器技术 领域。
背景技术：
目前国际上兴起了研究新一代存储器的热潮，各种新一代的存储器种类繁多，机 制各异，具体哪种能够得到集成电路制造厂商和消费者的青睐尚不明确。但是有一点是可 以肯定的，在保证性能的前提下，提高存储密度使得存储每位数据的成本越低就越有市场 竞争力，这在很大程度上决定着新一代存储器能否最终被采用。一般而言，提高存储器的密 度有两种有效的方式第一是通过工艺或者器件结构设计来减小单元面积的尺寸，采用交 叉阵列结构能够实现理论上的最小单元面积；第二是采用多级存储单元，它可以在不增大 存储面积的情况下极大地提高存储密度，降低位/面积的成本，在实际应用中有着很好的 市场前景。目前国际上各大公司和研究机构都在积极研发基于交叉阵列结构和基于多值存 储单元的存储器技术，以期能在未来的市场竞争中占据领先地位。作为下一代非挥发存储器的强有力竞争者，阻变存储器由于具备操作电压低、结 构简单、操作速度快、记忆时间长、器件面积小、可多级存储及能进行三维堆叠等特点得到 了广泛深入的研究。如图1所示，在外加偏压的作用下，器件的电阻会在高低阻态之间发生 转换从而实现“0”和“1”的存储。阻变存储器能够采用交叉阵列结构实现高密度存储。在 交叉阵列结构中，上下相互垂直的平行导线中间夹含着存储单元，每一个存储单元都可以 实现器件的选通并进行读写。但是，由于存储器单元对称的电学特性，交叉阵列结构中存在 读串扰问题。如图2所示相邻的四个器件，若Al为高阻态而其他为低阻态，在读取Al的阻 态时，希望的电流通路如图2中实线所示，但实际上的电流通路却如图2中虚线所示，使得 读出来的电阻值不是Al的高阻态电阻值，这就是读串扰现象，从而导致误读。一次编程存储器是一种非常重要的非挥发性存储器，由于其结构简单、功耗低等 特点被广泛的应用于永久性资料存储、代码存储、校准表及设置参数等一旦编程后一般不 需改变的领域。一次编程存储器的重要特点就是成本低廉、存储密度高、功耗低及读取速度 快，但是，一般的一次编程存储器都只具有两种状态“0”和“ 1 ”，存储密度低，位/面积的成 本高。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有一次编程存储器存在的缺陷，而提供一种一次 编程存储器的多值存储方法，所要解决的技术问题是实现一次编程存储器的多值存储、实 现更高的存储密度以及避免交叉阵列结构中的误读。本发明的一次编程存储器的多值存储方法，所述一次编程存储器包括双极型阻变 存储器和整流二极管，所述双极型阻变存储器和所述整流二极管之间相串联；对所述一次 编程存储器施加至少两种不同电压值的编程电压或者不同电流强度的编程电流，使所述一次编程存储器从高阻态转变成至少两种不同的低阻态，实现多值存储。其中，所述双极型阻变存储器包括中间电极、电阻转变存储层和上电极，所述电阻 转变存储层位于所述上电极和所述中间电极之间。所述整流二极管为肖特基型二极管，所述肖特基型二极管包括下电极、二极管功 能层和中间电极；所述二极管功能层位于所述中间电极和所述下电极之间。所述二极管功能层由至少一种以下材料或者至少一种以下材料经掺杂改性后形 成的材料而形成NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO, HfOx, ZnO、Si 和有机材料。所述下电极由至少一种以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、ΙΖΟ、 YBC0、LaA103、SrRu03、Si 以及多晶硅。 所述整流二极管为PN结型二极管，所述PN结型二极管包括下电极、二极管功能层 和中间电极；所述二极管功能层位于所述中间电极和所述下电极之间；所述二极管功能层 中的P型和N型材料层由至少一种以下材料或者至少一种以下材料经掺杂改性后形成的材 料而形成NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO, HfOx, ZnO、InZnOx, Si 以及有机材料。所述下电极由至少一种以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、ΙΖ0、 YBC0、LaA103、SrRu03、Si 以及多晶硅。所述电阻转变存储层由至少一种以下材料或者至少一种以下材料经掺杂改性后 形成的材料而形成Ni0、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, Co0、HfOx, MoOx, ZnO、PCMO, LCMO, SrTiO3、BaTiO3、SrfrO3、非晶硅以及有机材料。所述上电极和所述中间电极均由至少一种以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、 TiN、ITO、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRuO3> Si 以及多晶硅。有益效果本发明的一次编程存储器的多值存储方法实现了一次编程存储器的多 值存储；同时能够有效地抑制交叉阵列结构中的读串扰，便于一次编程存储器和外围电路 的集成，简化了器件的制备工艺，降低了成本。
图1是现有技术在理想情况下阻变存储器的电流电压特性曲线示意图；图2是现有技术在理想情况下阻变存储器在交叉阵列结构中读串扰示意图；图3是本发明实施例一次编程存储器多值存储原理的示意图；图4是本发明实施例一次编程存储器的电流_电压特性曲线示意图；图5是本发明实施例一次编程存储器的结构示意图；图6是本发明实施例一次编程存储器的制备方法流程图。
具体实施例方式为更进一步阐 述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一次编程存储器的多值存储方法，其具体实施方 式、结构、特征及其功效，详细说明如下。实施例如图3所示为本发明实施例的一次编程存储器的多值存储原理的示意图，该方法 是对一次编程存储器施加不同电压值的编程电压或者不同电流强度的编程电流，使电阻处于不同的低阻状态，实现多值存储；编程电压的极性或者编程电流的方向与整流二极管的 正向电压极性或者正向电流方向一致。如图4所示，一次编程存储器在直流扫描模式测试下得到的电流电-压特性曲线 示意图。本发明实施例的一次编程存储器开始处于高阻态，即状态1，当施加一个编程电压 Ua或编程电流Ia时，一次编程存储器从高阻态转变成低阻态，即状态2 ；当施加一个编程电 压Ub或编程电流Ib时，一次编程存储器从高阻态转变成另外一种低 阻态，即状态3 ；施加 两种电压值不同编程电压或电流强度不同的编程电流，一次编程存储器存在三种不同的状 态，“00”、“01”和“10”。依此类推，施加不同电压值的编程电压或者不同电流强度的编程电 流，一次编程存储器从高阻态转变成不同的低阻状态；在负电压方向，由于整流二极管的整 流作用，一次编程存储器从低阻态转变成高阻态的过程被抑制，因此一次编程存储器一直 保持在低阻状态，从而使一次编程存储器实现一次编程的多值存储。一次编程存储器编程后在士 IV的读取电压下，不同的低阻态(状态2和状态3) 的正向电流和负向电流比约为IO2和103，可以有效地抑制交叉阵列结构中的读串扰，避免 误读发生。上述的一次编程存储器如图5所示，包括双极型阻变存储器20和整流二极管10， 双极型阻变存储器20和整流二极管10之间相串联。整流二极管10包括下电极101、二极 管功能层102和中间电极30，二极管功能层102位于下电极101和中间电极30之间。双 极型阻变存储器20包括上电极203、电阻转变存储层202和中间电极30，电阻转变存储层 202位于上电极203和中间电极30之间，中间电极30为双极型阻变存储器20和整流二极 管10共有。整流二极管10可以为肖特基型或者PN结型二极管。如为肖特基型二极管，其功能 层102由至少一种以下材料或者至少一种以下材料经掺杂改性后形成的材料而形成NiO、 Ti0x、Cu0x、&0x、Ta0x、A10x、Co0、Hf0x、Zn0、Si以及有机材料。如为PN结型二极管，其功能 层102中P型和N型材料层由至少一种以下材料或者至少一种以下材料经掺杂改性后形成 的材料而形成NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, ZnO, InZnOx, Si 以及有机材料。 在本实施例中，整流二极管10为肖特基型二极管，其功能层102由CuOx制成。上电极203、中间电极30和下电极101均由至少一种以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、 Ti、Al、Cu、TiN、ITO、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRuO3> Si 以及多晶硅。电阻转变存储层202由至少一种以下材料或者至少一种以下材料经掺杂改性后 形成的材料而形成NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, MoOx, ZnO, PCMO, LCMO, SrTiO3、BaTiO3、SrfrO3、非晶硅以及有机材料。上电极203的厚度为5纳米 500纳米；电阻转变存储层202的厚度为10纳米 200纳米；中间电极30的厚度为5纳米 500纳米；二极管功能层102的厚度为10纳米 1000纳米；下电极101的厚度为5纳米 500纳米。在本实施例中，下电极101由η+掺杂的Si形成，中间电极30由Pt形成，上电极 203由Ag形成，电阻转变存储层202由&02形成；上电极203厚度为50纳米，电阻转变存 储层202的厚度为50纳米，中间电极30的厚度为50纳米，整流二极管功能层102的厚度 为35纳米，下电极101的厚度为100纳米。如图4所示，本实施例中的一次编程存储器初始态为高阻态，即状态1 ；当编程电压达到3V，限流为IOmA时，一次编程存储器被编程到状态2 ；当编程电压达到3V，没有限流 时，一次编程存储器被编程到状态3，从而实现三级存储。因此，只要控制不同的限流，即不 同的编程电流，就可以实现多值存储。本发明的一次编程存储器的制备方法如图6所示，包括以下步骤步骤10 在衬底上形成整流二极管10 ； 首先，在衬底上形成下电极101 ；下电极101上形成二极管功能层102 ；然后，在二 极管功能层102上形成中间电极30。下电极101和中间电极30均是通过物理汽相沉积和 化学汽相沉积形成的，物理汽相沉积包括电子束蒸发、热蒸发或者溅射；二极管功能层102 是通过电子束蒸发、溅射、等离子体增强化学汽相沉积、旋涂或者原子层沉积形成的。步骤20 在整流二极管10上形成双极型阻变存储器20 ；首先，整流二极管10的中间电极30上形成电阻转变存储层202 ；然后，在电阻转 变存储层202上形成上电极203。上电极203是通过物理汽相沉积和化学汽相沉积形成的， 物理汽相沉积包括电子束蒸发、热蒸发或者溅射；电阻转变存储层202是通过电子束蒸发、 溅射、等离子体增强化学汽相沉积、旋涂或者原子层沉积形成的。由上述可知，在本发明的实施例中，制备了双极型阻变存储器和整流二极管之间 相串联的一次编程存储器，利用不同电压值的编程电压或者不同电流强度的编程电流将该 一次编程存储器编程到不同的低阻状态，实现多值存储；同时利用二极管的整流特性能够 有效地抑制交叉阵列结构中的读串扰，便于存储器件和外围电路的集成，简化了器件的制 备工艺，降低了成本。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰 为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质 对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一次编程存储器的多值存储方法，所述一次编程存储器包括双极型阻变存储器和整 流二极管，所述双极型阻变存储器和所述整流二极管之间相串联，其特征在于对所述一次 编程存储器施加至少两种不同电压值的编程电压或者不同电流强度的编程电流，使所述一 次编程存储器从高阻态转变成至少两种不同的低阻态，实现多值存储。
2.根据权利要求1所述的一次编程存储器的多值存储方法，其特征在于所述双极型 阻变存储器包括中间电极、电阻转变存储层和上电极，所述电阻转变存储层位于所述上电 极和所述中间电极之间。
3.根据权利要求1或2所述的一次编程存储器的多值存储方法，其特征在于所述整 流二极管为肖特基型二极管，所述肖特基型二极管包括下电极、二极管功能层和中间电极； 所述二极管功能层位于所述中间电极和所述下电极之间。
4.根据权利要求3所述的一次编程存储器的多值存储方法，其特征在于所述二极管 功能层由至少一种以下材料或者至少一种以下材料经掺杂改性后形成的材料而形成NiO、 TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, ZnO, Si 和有机材料。
5.根据权利要求3所述的一次编程存储器的多值存储方法，其特征在于所述下电极 由至少一种以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRu03、 Si以及多晶硅。
6.根据权利要求1或2所述的一次编程存储器的多值存储方法，其特征在于所述整 流二极管为PN结型二极管，所述PN结型二极管包括下电极、二极管功能层和中间电极；所 述二极管功能层位于所述中间电极和所述下电极之间；所述二极管功能层中的P型和N型 材料层由至少一种以下材料或者至少一种以下材料经掺杂改性后形成的材料而形成NiO、 TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, ZnO, InZnOx, Si 以及有机材料。
7.根据权利要求6所述的一次编程存储器的多值存储方法，其特征在于所述下电极 由至少一种以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ΙΤ0、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRu03、 Si以及多晶硅。
8.根据权利要求2所述的一次编程存储器的多值存储方法，其特征在于所述电阻转 变存储层由至少一种以下材料或者至少一种以下材料经掺杂改性后形成的材料而形成 NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, MoOx, ZnO, PCMO, LCMO, SrTi03、BaTi03、 Srfr03、非晶硅以及有机材料。
9.根据权利要求2所述的一次编程存储器的多值存储方法，其特征在于所述上电极 和所述中间电极均由至少一种以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ΙΤ0、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRu03、Si 以及多晶硅。.
全文摘要
本发明公开了一种一次编程存储器的多值存储方法，属于微电子制造及存储器技术领域。一次编程存储器包括双极型阻变存储器和整流二极管，所述双极型阻变存储器和所述整流二极管之间相串联，对一次编程存储器施加至少两种不同电压值的编程电压或者不同电流强度的编程电流，使所述一次编程存储器从高阻态转变成至少两种不同的低阻态，实现多值存储。本发明的一次编程存储器的多值存储方法实现了一次编程存储器的多值存储、实现了更高的存储密度以及避免了交叉阵列结构中的误读。
文档编号G11C11/56GK102074270SQ200910310009
公开日2011年5月25日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者刘明, 左青云, 龙世兵 申请人:中国科学院微电子研究所