用于存储信息的微电子器件及其方法

专利名称：用于存储信息的微电子器件及其方法
1.发明背景1.1发明的领域本发明涉及电子和微电子器件，特别是涉及显示转换现象的多种材料和机内的存储器，利用这些材料和存储器，可以实现半导体芯片存储单元中信息的存储和读取以及对电子和微电子器件的多个重要改进。
1.2现有技术及其缺点尽管本发明可用于各种微电子或电子装置中，但下面将要集中描述应用于存储单元，例如RAM(随机存取存储器)的情况。
在半导体器件的制造中，需要保持价格和性能的竞争力，这就使得集成电路中器件密度持续增加。为了促进器件密度的增加，不断需要新的技术来减小这些半导体器件的外观尺寸。
传统的DRAM单元包含晶体管和主要由二氧化硅(SiO2)构成的电容器，其中DRAM代表动态随机存取存储器。由于用于存储信息而采用的物理量的缘故，它们需要晶体管来控制存储在电容器中的电荷的流入和流出。所述晶体管还消除了电容器之间的相互影响。这样的DRAM单元具有下列缺点存储在其内的信息是易失的，并且主要是在每次电源供电失败时丢失信息，另外，刷新包含在DRAM单元中的信息所需要的时间限定了该单元的读和写的性能。最后，由于需要晶体管，这样的DRAM单元的结构是非常复杂的。
这样，希望在超出传统DRAM技术的计算机RAM技术中有所变化。
尽管存储器单元的结构仍然复杂，但由于每次电源供电失效时信息不丢失，铁电非易失RAM(NVRAM)单元的应用已经向前迈出了一大步。在这样的铁电RAMs中，采用位存储层的极化代替DRAM单元中的电容器容量，用于确定与两个不同的逻辑值相关的两个不同的状态。然而，在剩余极化的两个不同态之间长期反复的转换，会使材料例如钛酸锆铅(PZT)的铁电性能疲劳。
在1998年7月的Physics Today第24页中还提出了一种高介电常数材料和相应的半导体制造技术，这项技术使计算机工业可以利用传统的DRAM制造设备，而不必进行基本的设备改造。这就是所谓的高介电常数DRAM技术。
这里，由于高介电常数层的极化随着施加的电压线性变化，当给DRAM电容器充电时，可以像传统的DRAM技术一样用电容器的电荷来存储信息。由于电容器的电容量与面积和介电常数值成正比，用介电常数εr大约为500的高介电常数材料例如钛酸锶钡(BST)代替介电常数εr大约为4的二氧化硅，可以减小电容器所占用的空间。结果与传统的用于DRAM单元的氧化硅材料相比，可以得到更高的集成度，在传统的DRAM单元中，电容器的面积消耗大于耦合的晶体管的面积。
尽管如此，遗留的缺点是漏电流仍然很大。这样，必须进行刷新。
对六十种氧化物二极管和氧化物薄膜的调查揭示了几种现象。例如J.F.Gibbons和W.E.Beadle在Pergamon出版社1964年出版的“固态电子”第7卷第785-797页他们的论文“NiO薄膜的转换性能”中，发表了关于由氧化镍制成的两端固态开关。在大约100-1000个转换周期之后，用正常的转换信号幅度，该器件不能从开的状态转换。对氧化物二极管进行的其它测试发现，通过施加高电压可引起转换动作。这些二极管在几个周期之后毁坏，变得不能用。T.W.Hickmott在“应用物理通讯”第6卷第6期第106页和在“真空科学与技术”杂志第6卷第5期第828页上报道了关于氧化铌二极管中的双稳态开关。他强调金属电极起着重要的作用。总之，所测试的器件和材料显示它们都难于控制或不可靠。
在美国专利No.4,931,763中，描述了基于金属氧化物薄膜的存储器开关。该存储器开关是单向的，因此只转换一次。可以用它作为电路和阵列中的连接元件而不能用于存储变化的信息。
最后，由于更小的电容器尺寸，随着集成度增加到接近和超过1兆位的芯片，存储单元的晶体管的面积消耗不能再忽略。这样，尽可能简化存储单元的结构是迈向超大规模集成电路(ULSI)的重大的一步。
1.3发明的目的因此，本发明的目的是提供一种具有简单耐用的结构、可靠和非易失的存储单元。
本发明的另一个目的是提供一种将信息稳定地存储到这种存储单元中的新的更简单的方法，可以重复进行擦和读的操作。
本发明的再一个目的是提供一种简单结构的非易失存储单元，该存储单元能够存储两个以上不同值，即可用于多级存储。2.发明的概述及优点通过独立权利要求中描述的特征可以实现本发明的这些目的。本发明的其它优点和实施例在各个从属权利要求中给出。
构成本发明基础的最基本的发现在于包含钙钛矿的多种掺杂的氧化物物质和相关化合物，即用于微电子器件和电子电路中的材料，特别是用于结合有电阻呈现转换现象的和内置的存储器的半导体芯片中的材料。
可以设计微电子器件，使得它包括电极之间的区域，该区域具有可转换的欧姆电阻，其中该区域由包括成分Ax、By和氧Oz的物质制成。通过施加不同的电压脉冲，上述区域中的欧姆电阻可以在两个不同态之间互逆转换。不同的电压脉冲产生相应的不同态。物质中适量的掺杂物提高了转换性能，从而使微电子器件变得可以控制和可靠。
一般说，与权利要求的用词相一致，物质是指包含成分Ax、By和氧Oz的物质，在该物质中，所述成分A是碱金属(元素周期表中IA族)元素、或碱土金属(IIA族)元素、或稀土元素、或钪元素、或钇元素，所述成分B是IB族到VIII族之一中的过渡金属元素、或IIIA、IVA、VA族之一中的元素，并且该物质具有晶体结构。
通常，相应的晶格结构的单位晶格包括被多个氧分子围绕的晶格中心分子，每个氧分子本身又具有中心分子。两种类型的所述中心位置可以分别主要由成分A或成分B占据。换句话说，有多种物质，即从化学方面来看，其中的A和B可以适当地变化它们的位置。鉴于大量不同的可用物质，应当强调对上面给出的基本分子式的理解，以保证所要求的范围，保证所附加的权利要求的清楚和简明。
所述物质包括一些具体掺杂量范围的掺杂物，所述掺杂物为铬、钒、锰或过渡金属之一或其结合。
特别地，任何包括成分Ax、By和氧Oz的物质都是能够解决构成本发明基础问题的物质，在所述物质中，所述A是碱金属(IA族)元素、或碱土金属(IIA族)元素、或稀土元素、或钪元素、或钇元素，所述成分B是IB族到VIII族之一中的过渡金属元素、或IIIA、IVA、VA族之一中的元素，当用过渡金属之一或其结合的掺杂物进行掺杂，特别是但不仅仅用铬、钒或锰进行掺杂时，总的掺杂量大于0％小于5％，当只用铬掺杂(BaSr)TiO3时，总掺杂量最好大约0.2％。对于所用的每种掺杂物元素和要掺杂的物质，其它的最佳掺杂量是特定的。
找出掺杂物的合适量，就可以提供使微电子器件例如存储器单元工作所需要的稳定的转换性能。与用传统的动态存储器达到的时间比类似，可以实现快速的写、读和擦操作。
通过下标x、y、z的组合来满足一些附加的具体要求，以便找出适合于本构思的物质。下面的每一项都限定了一小类显示出具有所需要的转换效果的物质。
由x＝n+2、y＝n+1、z＝3n+4，n＝0、1、2、3限定的下标x、y和z的组合展现了所谓的Ruddlesden Popper相，例如Sr2RuO4(xyz-下标序列为214)或Sr3Ru2O7(xyz＝327)等。
n＝0时如上所限定的下标组合中包含独立的一类物质，该类为尖晶石结构，例如Mg2TiO4(214)、Cr2MgO4，其中A和B位置互换，即最初由y标记的B阳离子位于由x标记的位置上，A阳离子位于由y标记的位置上，或者用x和y只标记B阳离子的物质(B2BO4)，例如Fe2CoO4、Fe2FeO4(Fe3O4)。
由x＝n+1、y＝n+1、z＝3n+5，n＝1、2、3、4限定的下标x、y和z的组合展现了独立的小类物质，该小类部分提供了具有氧夹层的物质。
由x＝1、y＝1、z＝1和下标x或y之一为零限定的下标x、y和z的组合展现了典型的物质如BeO、MgO、BaO、CaO…NiO、MnO、CoO、CuO、ZnO，或者由x＝n、y＝n、z＝n+1，n＝1或2以及下标x或y之一为零限定的下标x、y和z的组合，对于n＝1，展现了物质如TiO2、VO2、MnO2、GeO2、CeO2、PrO2、SnO2，对于n＝2，展现了物质如Al2O3、Ce2O3、Nd2O3、Ti2O3、Sc2O3、La2O3，
或者由x＝n、y＝n、z＝2n+1，n＝2以及下标x或y之一为零限定的下标x、y和z的组合展现了典型的物质如Nb2O5、Ta2O5等。
由x＝n、y＝n、z＝3n，n＝1或2或3限定的下标x、y和z的组合展现了物质的一个独立的小类，对于n＝1，即所谓的钙钛矿，如SrTiO3、BaTiO3、KNbO3、LiNbO3等，对于n＝2，提供了具有(226)下标序列的Sr2FeMoO6等物质。
由x＝n+1、y＝n、z＝4n+1，n＝1或2限定的下标x、y和z的组合展现了物质的一个独立的小类。
对于n＝1，提供了具有下标序列(215)的物质，如Al2TiO5、Y2MoO5等，对于n＝2，提供了SrBi2Ta2O9等。
通过改变物质的成分可以修改上述每个小类，以便实现至少所述成分Ax或By之一分别由A和B各自的相应族中的一组或几组中的元素的组合构成。
通过提供超晶格来提供进一步的变体，该超晶格是通过具有各个不同n的结构晶胞和/或子晶胞的组合而构成，如在‘E.Kaldis et al.(eds.)，高Tc超导性1996发现后的十年，第95-108页’所公开的，其中结构晶胞和/或子晶胞是通过氧夹层得到的相应异质系列中的每个成员。通过提供超晶格来提供进一步的变体，该超晶格是通过具有各个不同的n的Ruddlesden-Popper型结构的结构晶胞和/或子晶胞的组合而构成，其中所述结构晶胞和/或子晶胞是相应的异质系列中的每个成员。在所述晶格变体中，形成晶格结构，其中单个或多个过渡金属氧八面体层由包含成分A和氧的一个或多个阻挡层分隔。
那些许多物质中的一个最佳物质是BaxSr1-xTiO3，0≤x≤0.7，并且铬的掺杂量为0％-5％，较好的是0-1％，更好是大约0.2％。
那些许多物质中的其它物质是与BaxSr1-xTiO3，0≤x≤0.7相应的材料，钒的掺杂量为0％-5％。
锰也是较好的掺杂物，特别是与铬或钒混合使用时。
那些许多物质中的另外的一些物质是具有过渡金属阳离子例如Nb的与钙钛矿相关的化合物。另外的掺杂物可以是过渡金属元素及其组合，即在d-轨道上也就是3d、4d或5d-轨道上具有价电子的元素。
例如，当采用这样的材料作为电容器状结构中的电介质层，以形成微电子器件时，根据施加到其上的电压脉冲，它保持转换后高或低导电率状态，直到施加新的电压脉冲，它转换到另一个状态。这样，具有如此复杂电介质材料的所述电容器状结构具有通过将短路电压或短路电流脉冲加到埋置电极可以变化的电阻。
由于这种微电子器件的最有决定性的电性能是其电阻随着在微电子器件的两个端子之间施加的一定的电压脉冲而变化，从而可以认为所述电容器状结构是“可转换的电阻器”。已知所述转换性能是通过电压或电流激励滞变现象而实现的。
由于所述性能，利用不同的电阻值，可以存储数字信息，即把高阻态与逻辑‘0’联系起来，把低阻态与逻辑‘1’联系起来。这样，当介电层具有低电阻，电流相当大时，通过电流读出或测量漏电流可以读出实际状态和存储的信息，反之亦然。这样，可以有效地采用妨碍先有技术中DRAM技术的性能的漏电流来读取存储的值。根据本发明，不需用电容器的静电荷或任何铁电材料的极化来存储信息，而是用其电阻。
这样，通过实现上述构思而得到存储信息的简单方法。
当用于例如RAM单元时，相对于先有技术的存储单元，与本发明有关的实用的材料的优点在于，可以构造新的单元，只包括单个电容器状器件，该器件只有一对用于使其工作的电极端子，即不需要在先有技术中用于执行DRAM单元的工作功能的与电容器耦合的晶体管，就能够使其进行读出、写入或擦除操作。该单元的一端与地连接，而另一端用于写、擦或只读。
这样，可以用相当少的芯片空间和相当少的制造步骤来制造RAM单元。
此外，在没有连接电源的情况下，可用的材料具有至少几个月的相当高的保留时间，这样就能用做非易失存储器。这样可以得到双重好处第一，因为刷新周期，所有的时间都可以用于读和写操作，因此不需要刷新电路，第二，由于失电并不意味着存储数据的丢失，增加了数据存储的安全性。
基本上，存储器单元可以按电压控制或电流控制两种方式工作，即可以通过施加电压脉冲或通过施加电流脉冲来存储信息。在两种情况中，信息可以借助读出电压或电流读出。然而，为了使本公开更清楚，在下面的详细说明中，只描述电压方式。
最后，例如在电压控制方式中，由于电阻的不同，读‘1’时的电流比读‘0’时的电流大大约20倍。在同一单元中，可以有效地利用该特征来存储多于1位的数据。这样，通过施加不同的电压脉冲，即具有不同形状、电平、周期或者读和擦的数值不同的单脉冲或连续脉冲，可以存储或删除多个两位、三位或更多位的数据。因此可以保持不同电平之间的足够大的距离。
参考附图，特别是参考

图1，更详细地描述了具有电容器状结构的微电子器件10的主要结构。这种微电子器件10可用做存储单元。
用脉冲激光淀积法制造微电子器件10，该器件包括由SrRuO3制成的氧化物基极12和具有氧化物绝缘层的区14，该绝缘层由用做绝缘材料的掺杂了少量的铬(Cr)的(BaSr)TiO3制成，以及在SrTiO3衬底18上的金属(Au)上电极16。微电子器件10具有薄膜电容器状结构。
一端20连接到所述上电极16，另一端22连接到所述基极12。
在一个用于测试微电子器件10的基本的转换性能和其它的物理性能的实验安排中，绝缘层的厚度为300纳米。
区14的绝缘体层掺杂铬(Cr)的量为0.2％。
如图所示，测量漏电流，该漏电流是所述端子20、22之间的DC电压源24产生的偏压的函数。
参考图2a至2c，图2a线形地说明了漏电流电压特性，图2b用漏电流的绝对量的对数刻度表示，图2c中用两个对数刻度表示。
对于施加的像几十毫伏的小电压，可以观察到线形电流电压特性。当施加适度的电压如几百毫伏时，可以看到电流与施加的电压是平方关系。
可以将这种IVC形状和性能描述为空间电荷极限电流。随着施加电压的增加，更大的施加电压会产生漏电流的指数级增长。
微电子器件10的电容器状结构显示了可重复转换特性，该特性引起电流电压特性中的滞后回路，如下所述大的负偏压-相对于SrRuO3电极是负的-导致漏电流在大约-0.8V骤然增加。扫回到大的正偏压时，漏电流又降回到在+0.7V画出的低值。漏电流的所述骤然增加和所述骤然降回是用于在两个状态之间决定和转换的主要特性。
根据本发明，由于所描述的基本的转换性能，使微电子器件10能够作为非常简单的器件或存储器件即RAM中的存储单元而工作。这一点将结合图3a至3c和4a至4c来说明。
基本上，通过给微电子器件10施加写电压脉冲，将系统转换到低电阻状态，这可以认为是存储信息。擦电压脉冲恢复微电子器件10的电阻态，将信息移去即擦除。
在图3a中可以看到，将一系列画为尖峰的300ms长的不同电压脉冲加到微电子器件10的电极(12，16)上。
写脉冲，也称为第二电压脉冲6.1，这里是负脉冲，用该负脉冲来写信息，所写的信息经过一定的延迟通过擦除脉冲(也称为第一电压脉冲5.1，这里是正脉冲)来擦除。通常，每个第一脉冲电压5.1产生第一态1即高阻态，另一方面，每个第二电压脉冲6.1产生第二态2即低阻态，这一点从图3a结合图3c可以看出。在重复的电压脉冲5.1、6.1之间，周期性地转换负的小读电压9为开和关状态，以读取信息和激励实际的读出过程。在每个写或擦除脉冲之后，进行120个读周期，每个周期持续1秒。通过图3a中放大的部分，以较好的时间分辨率示意性地画出了这个读出过程。
紧接着-0.2V的小施加电压之后，通过测量漏电流进行从微电子器件10读出，如图3b所示，该图显示了在写和擦过程中出现了电流尖峰，接着写和擦的是读出周期，具有低一个数量级的电流。图3c是图3b的漏电流刻度放大图，清楚地显示了上述第一态1和第二态2。
两个不同的电阻态可以清楚地区分大约30毫微安的第一态1产生R＝6.6兆欧的电阻，具有650毫微安漏电流的第二态2产生R＝300kΩ的电阻。第一态1与逻辑‘0’相关，第二态2与逻辑‘1’相关。
‘1’电阻值比‘0’电阻值小20倍。这样就能清楚地区分两个逻辑态‘1’和‘0’。
另外，这种电阻与施加的电压脉冲5.1、6.1的显著的依赖关系以及滞后特性也允许将不同的值写入微电子器件10，并且用单独的预定读出电压读出它们。这种所谓的多值转换现象在下面将更详细地描述。
在这个例子中，在进行实验测量过程中，在300ms期间-尖峰的持续时间写入和擦除信息，保存240s。写入和擦除信息的时间是具体选择的实验性参数，但不是由存储器本身限定的。因此，用于写/擦操作的极限速度是很高的，如图5所示。
信息能存储的时间比实验测得的240s要长得多，进一步的测量确定了这一点，如图5所示。
当改变Cr掺杂时，如果分析这种电容器状结构的转换性能，可以看出对于少量掺杂Cr的结构，具有更明显的转换性能，即Cr掺杂大约0.2％时得到了最好的结果。对于这些电容器状结构，‘0’和‘1’之间的不同是最好的，具有适当的再现性。
总之，本结构的主要方面在于能够作为存储器件或单元工作，该结构具有随着施加的电压脉冲敏感变化的DC电阻，并且含有掺杂的氧化物，这些存储器件或单元具有下列有趣的特性首先，由于整个存储单元是电容器状结构，它们具有非常简单的结构。这样，它们可以只用两个端子工作，一个端子用于读、写和擦。这样，它们最适用于ULSI技术。
其次，从图3C可以看出，‘0’值和‘1’值之间电阻的差别至少是一个数量级。从图2a画出的IVC还可以看出，可以采用大的电阻范围来保存多个不同的逻辑值，即可以实现所谓的多值转换。对此，可以施加具有如上所述不同尺寸的多个写脉冲，将具体的逻辑值写入存储器，为了实现非二进制系统，而是例如基于10个不同逻辑值的数字十进制系统，这些逻辑值在后来的写/读/擦循环中能够被写入和从所述存储器被读出。
最后，能够将信息存储很长时间，相对于传统的DRAM单元，这是显著的优点。
图4a至4c显示了另一个微电子器件、第二存储器件的工作，该器件被用做多值存储器件。由于图4a至4c是彼此相关的，在上下文中用它们来理解第二存储器的工作。为了简便，没有画出第二存储器，其结构如图1所示。用脉冲激光淀积法制造该第二存储器件，该器件包括由SrRuO3制成氧化物基极12和作为绝缘材料用0.2％的铬(Cr)少量掺杂的SrZrO3制成的区14，以及在SrTiO3衬底18上的金属(Pt/Ti)上电极。
从图4a可以看出，一系列画为尖峰的不同的电压脉冲加到第二存储器件。特别是，以特定的重复顺序施加擦电压脉冲5、低的写脉冲6、中间写脉冲7和高的写脉冲8，以模拟实际的擦和写操作。每个擦电压脉冲5的尖峰代表30个脉冲，持续时间为1ms。以10s的间隔适当地施加小的读电压9，以便读信息。该读电压9的幅值比用于转换到不同态1，2，3，4而施加的不同电压脉冲5，6，7，8小。
图4b显示了由不同的电压脉冲5，6，7，8产生的电流，图4c是图4b的电流读出放大图。从图4c可以清楚地得出不同的态1，2，3，4对应于不同的欧姆电阻。在施加了一个擦除脉冲5之后，可以认为该第二存储器件的区14的欧姆电阻“高”，即该第二存储器件保存高的欧姆状态，也称为第一态1。相反，每个低的写脉冲6生成第二态2，每个中间写脉冲7生成第三态3，和每个高的写脉冲8生成第四态4，从而该第四态4处于最低的欧姆状态。第二态2和第三态3处于高欧姆和最低欧姆状态之间。在图4a中可以看出，在写脉冲6，7，8之间施加擦除脉冲5，以分别从第二态2、第三态3或第四态4转换到第一态1。
每个不同的态1、2、3、4对应于相应的逻辑值，例如，第一态1对应于逻辑‘00’，第二态2对应于逻辑‘01’，第三态3对应于逻辑‘10’，第四态4对应于逻辑‘11，代表两位的存储单元。通常，可以有比画出的四个不同态1、2、3、4更多的态。
这里，擦电压脉冲5是负电压脉冲，而写电压脉冲6、7、8是正电压脉冲。基本上，在第一次使用存储器件之前，应施加初始电压以极化该器件。根据该极化，擦电压脉冲可以为正而写脉冲为负，或者擦电压脉冲为负而写脉冲为正。
如果每个擦除脉冲5的幅度值等于或小于写脉冲6、7、8的幅值是有利的。
与例子相反，擦除脉冲5可以具有不同的幅度，用于直接从第四态4转换到具有更高欧姆电阻的不同态3，2，1。意思是说，为了从低阻态、这里是第四态4转换到更高的欧姆态，例如第三态3、第二态2或甚至第一态1，擦除脉冲5具有适合的阶梯状增加的幅度。也能以这样的方式即从第四态4直接转换到第二态2。
虽然在77k研究和测试了多值存储器件的转换性能，但在室温也能实现相同的转换性能。
图5a-5h显示了经过一个延长的时间，对另一个微电子存储器、第三存储器件的测试结果。除上电极12包括Au之外，该第三存储器件具有与上述第二存储器件相同的结构。
总之，在图的最上排画出了施加的电压，而在图的最下排示出了得到的电流读出。图5a表示两个擦除脉冲5和三个写脉冲6，每个具有1μs的持续时间，以1分钟的间隔施加。图5b中画出了与态1、2对应的电流读数。从图中可以看出，在28.4.99上，第三正写脉冲6导致了从第一态1转换到第二态2。此后，在没有任何电源连接的情况下，保存第三存储器，并且在更长的时间内不用该存储器。图5c和5d表示在两个月的时间内的非周期测量，而测量数据列于图5d。更具体地说，图5c表示读电压脉冲9，而图5d画出了电流读出结果。结果显示第二态2保存了更长的时间，这样，对于这个时间周期，可以认为第三存储器是非易失的。图5e显示了另外的写和擦除脉冲，图5f显示了得到的状态。最后，图5g和5h表示在三个月的时间内的非周期测量，测量数据标于图5h。一方面，图5g再次画出了读脉冲9，而另一方面，图5h显示了得到的电流读数。该测量再次显示了没有任何损坏的情况下，保存在第三存储器件中的最后的信息保存了更长的时间。
参考图6的电路示意图，显示了4位存储电路的代表性设置。
四个微电子器件10、也称为存储单元10直线排列，以代表利用解码器30通过地址线28编址的4位存储电路，解码器30的输出连接到如图1所示的各自的上电极16。每个基极22连接到地。可以通过偏压线32给选择的存储单元10施加写、擦或读电压脉冲。通过输出线34测定不同的存储单元的输出电流。
以类似的方式，通过将一排存储单元10的基极22与另外的解码器连接，可以得到矩阵状排列。
很显然，如图1所示，芯片上电容器状结构的具体的部件12、14、16、18的排列适合特定集成度所提出的要求，该特定集成度将用该芯片实现。这样可以实现各种各样不同的结构。
与上述存储单元10的存储信息的能力相比，还能够利用包括掺杂的电容器状结构的系统，该掺杂的电容器状结构作为电气或电子电路中激励转换的元件。
在这个有趣的领域中，转换动作并不限于电阻率值。具有几个兆欧电阻的器件可以工作在用于写和擦的电压1V和5V，以及用于读的0.05V和0.5V之间。然而，具有更小电阻的器件也可以工作在不同的电压。
此外，本构思适用于构成EEPROMS(电可擦可编程只读存储器)、逻辑门例如与门、或门、可调电容器和复杂逻辑电路的物质的应用。
特别地，当采用硅(Si)或其它半导体物质作为代替钛酸锶的物质材料时，现有技术中，半导体材料可以生长在衬底上，这样就提供了将传统的半导体技术分别与本构思的存储单元或转换元件相结合的能力。
在前面的说明中，参考具体典型的实施例，已经描述了该发明。然而很明显，在不离开如本发明附加的权利要求中所述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以作出各种各样的修改，特别是关于如在附加的权利要求中所提到的各种各样不同物质的应用。
本说明书和附图应被看作是说明性的，而不是限制性的。
特别是，当需要根据各种变化的芯片设计而要达到各种目的时，可以分别改变区14的厚度以及存储单元的横向尺寸和施加的偏压或偏置电流。
而且用于下电极的材料也可以改变，还是以像铂(Pt)这样的单金属更适合。
用作上电极的材料也可以改变，Au、Pt是适合的材料，但原则上，所有的金属和导电氧化物都是用于上和下电极的合适的材料。
权利要求
1.一种微电子器件，在电极(12，16)之间的区(14)具有可转换的欧姆电阻，其中通过施加能产生不同态(1，2，3，4)的不同的电压脉冲(5，5.1，6，6.1，7，8)，在所述区(14)中的欧姆电阻在所述不同的态(1，2，3，4)之间可逆的转换，所述区(14)由包括成分Ax、By和氧Oz的物质形成，在该物质中，所述成分A是碱金属(IA族)元素，或碱土金属(IIA族)元素、或稀土元素、或钪、或钇，所述成分B是过渡金属，该过渡金属是IB族至VIII族之一的元素，或IIIA族、IVA族、VA族之一的元素，所述物质包括过渡金属之一或其结合的掺杂物，总的掺杂量大于0％小于5％。
2.根据权利要求1的微电子器件，其中通过在电极(12，16)上施加用于从所述第二态(2)转换到所述第一态(1)的不同电压脉冲的第一电压脉冲(5.1)，或者施加用于从所述第一态(1)转换到第二态(2)的不同电压脉冲的第二电压脉冲，使得区(14)的欧姆电阻至少在不同态的第一态(1)和不同态的第二态(2)之间可以转换。
3.根据权利要求2的微电子器件，其中处于第一态(1)的欧姆电阻比处于第二态(2)的欧姆电阻高，用于转换到所述第一态(1)的不同电压脉冲的第一电压脉冲(5.1)具有与用于转换到所述第二态(2)的不同电压脉冲的第二脉冲(6.1)相反的正负号。
4.根据权利要求1的微电子器件，其中通过用于将区(14)的欧姆电阻转换到不同态的高阻态(1)的擦除脉冲(5)和/或用于从不同态的所述高阻态(1)转换到更低的欧姆态(2，3，4)的至少一个写脉冲(6，7，8)，可以得到每个不同的态(1，2，3，4)。
5.根据权利要求4的微电子器件，其中擦除脉冲(5)具有用于转换到更低的欧姆态(2，3，4)之一的不同的幅度。
6.根据权利要求1-4中任一个的微电子器件，其中通过读电压(9)，不同态(1，2，3，4)是可读的，该读电压(9)的幅值比用于转换到不同态(1，2，3，4)而施加的不同电压脉冲(5，5.1，6，6.1，7，8)的幅值小。
7.根据权利要求1的微电子器件，可采用电容器状结构，其中区(14)相当于介质。
8.根据权利要求1的微电子器件，在产生具体欧姆电阻的不同电压脉冲(5，5.1，6，6.1，7，8)之一已经施加到电极(12，16)之后，与不同态(1，2，3，4)之一相关的区(14)的所述具体的欧姆电阻继续保持。
9.根据前述权利要求之一的微电子器件，该器件能够存储数字信息，该数字信息可通过区14的欧姆电阻的不同值来表现，从而象数字信息一样，存储两位以上。
10.根据权利要求1的微电子器件，其中物质的下标x、y和z的组合可限定为x＝n+2，y＝n+1，z＝3n+4，n＝0，1，2，3；或x＝n+1，y＝n+1，z＝3n+5，n＝1，2，3，4。
11.根据权利要求1的微电子器件，其中物质的下标x、y和z的组合可限定为x＝1，y＝1，z＝1，下标x或y之一为零；或x＝n，y＝n，z＝n+1，n＝1或2，下标x或y之一为零；或x＝n，y＝n，z＝2n+1，n＝2，下标x或y之一为零。
12.根据权利要求1的微电子器件，其中物质的下标x、y和z的组合可限定为x＝n，y＝n，z＝3n，n＝1或2或3；或x＝n+1，y＝n，z＝4n+1，n＝1或2。
13.根据权利要求1的微电子器件，包括铬或钒的掺杂物，掺杂量大于0％小于5％，最好大约0.2％。
14.根据权利要求1的微电子器件，其中至少物质的成分Ax或By之一分别包括出于A和B的相应族的一组或几组的元素的组合。
15.根据权利要求11的微电子器件，其中物质以由结构晶胞和/或子晶胞的组合构成的超晶格的形式存在。
16.根据权利要求10或12的微电子器件，其中物质以超晶格的形式存在，该超晶格由具有各个不同n的结构晶胞和/或子晶胞的组合构成，所述结构晶胞和/或子晶胞是相应的异质系列中的每个成员。
17.一种存储单元配置，包括根据前述权利要求1-16中任一项的微电子器件。
18.一种半导体器件，包括根据前述权利要求1-16中任一项的微电子器件。
19.一种用于将信息写入根据权利要求17的存储单元配置的方法，包括以下步骤将不同电压脉冲(5，6，7，8)中的一个电压脉冲加到所述存储单元配置的电极(12，16)上，用于写入信息。
20.根据权利要求19的方法，其中通过在电极(12，16)上施加用于从所述第二态(2)转换到所述第一态(1)的不同电压脉冲的第一电压脉冲，或者施加用于从所述第一态(1)转换到第二态(2)的不同电压脉冲的第二电压脉冲(6.1)，使得区(14)的欧姆电阻在至少不同态的第一态(1)和不同态的第二态(2)之间转换。
21.根据权利要求20的方法，其中处于第一态(1)的欧姆电阻比处于第二态(2)的欧姆电阻高，用于转换到所述第一态(1)的第一电压脉冲(5.1)具有与用于转换到所述第二态(2)的第二脉冲(6.1)相反的正负号。
22.根据权利要求19的方法，其中通过用于将区(14)中欧姆电阻转换到不同态的高阻态(1)的擦除脉冲(5)和/或用于从所述高阻态(1)转换到对应于所述写脉冲(6，7，8)的不同态的更低的欧姆态(2，3，4)的至少一个写脉冲(6，7，8)，可以得到每个不同的态(1，2，3，4)。
23.根据权利要求22的方法，其中擦除脉冲(5)具有用于转换到更低的欧姆态(2，3，4)之一的不同的幅度。
24.一种从根据权利要求17的存储单元配置读取信息的方法，包括步骤给所述存储单元配置施加读电压(9)，与该信息相关，流过所述存储单元配置一个电流值；或给所述存储单元施加电流脉冲，与该信息相关，在所述存储单元配置的电极(12，16)之间出现电压值。
25.利用包括成分Ax、By和氧Oz的物质，在电容器状结构中制造具有可转换的欧姆电阻的区(14)，在该物质中，所述成分A是碱金属(IA族)元素，或碱土金属(IIA族)元素、或稀土元素、或钪、或钇，所述成分B是过渡金属，该过渡金属是IB族至VIII族之一的元素，或IIIA族、IVA族、VA族之一的元素，所述物质包括不同的过渡金属之一或其组合的掺杂物，总的掺杂量大于0％小于5％。
26.根据前述权利要求的物质的应用，其中下标x、y和z的组合被限定为x＝n+2，y＝n+1，z＝3n+4，n＝0，1，2，3；或x＝n+1，y＝n+1，z＝3n+5，n＝1，2，3，4；或被限定为x＝1，y＝1，z＝1，下标x或y之一为零；或x＝n，y＝n，z＝n+1，n＝1或2，并且下标x或y之一为零；或x＝n，y＝n，z＝2n+1，n＝2，并且下标x或y之一为零；或被限定为x＝n，y＝n，z＝3n，n＝1或2或3；或x＝n+1，y＝n，z＝4n+1，n＝1或2。
全文摘要
构成本发明基础的基本发现在于多种氧化物物质,即用于微电子和电子电路的材料,特别是结合了电阻转换现象和内建存储器的半导体芯片。多种物质中的一个较好的物质是Ba
文档编号H01L29/51GK1340213SQ00803910
公开日2002年3月13日 申请日期2000年1月17日 优先权日1999年2月17日
发明者A·贝克, J·G·贝德诺兹, C·格伯, C·P·罗瑟尔 申请人:国际商业机器公司