专利名称：一种实现多值电阻存储器的方法
技术领域：
本发明涉及信息存储技术领域，具体的涉及到一种实现多值电阻存储器的方法。
背景技术：
目前主流的非挥发型存储器都是基于浮栅式MOS管单元结构。它通过在浮栅中 写入或擦除电荷来改变MOS管的阈值电压，根据阈值电压的高低记忆信息。浮栅型存储 器的概念最早由D. Kahng和S. M. Sze于1967年提出，基于此概念，半导体工业相继发展出 EPROM、EEPROM及目前主流的FLASH存储器。手机、mp3和各种移动电子产品的发展使FLASH 类的非挥发性存储器拥有非常广大的市场，并且这一市场还在不断增大。但是随着半导体 工业的技术升级和换代，浮栅型存储器的不足也越来越明显。第一，浮栅型存储器在60nm至45nm工艺的缩小化过程中会遇到很大的因难，因为 它的电荷写入和擦除机制要求栅保持在一定的厚度，该值不能与器件尺寸一同缩小。第二，浮栅存储单元采用沟道热电子注入方式向浮栅写入电荷，编程时源漏电压 必须大于或等于3. 2V才能使沟道电子获得足够穿过隧穿介质层的能量，这限制了浮栅存 储器功耗的降低。第三，浮栅存储器的写入擦除速度低，目前的产品指标都在微秒量级，这大大限制 了它的应用范围，尤其是集成到嵌入式系统。因此，以高密度、高速低功耗为主要特征的下一代非挥发性存储器成为了当前的 研究热点。电阻式存储器，是一类正在积极研究中的新型非挥发性存储器。它具有操作速度 快、功耗低、多状态记忆、结构简单、适应于微缩化，与目前的CMOS工艺兼容好等优点，是下 一代非挥发性存储器的有力的竞争者之一。它的存储原理是某些薄膜材料能够具有不同的 电阻状态，并在一定条件的电压作用下在不同电阻状态间转换，可以施加一较小的电压来 感测材料的电阻而不引起它的电阻状态改变。
发明内容
(一)要解决的技术问题电阻存储器以电阻值来代表所存储的信息，一个电阻存储器单元所具有的电阻状 态越多，所能存储的信息就越多。比如1个比特位要求2个电阻状态，2个比特位要求4个 电阻状态，一般的N个比特位需要2~N个电阻状态。本发明的主要目的在于提供一种实现 电阻存储器多电阻状态的方法，以实现多值存储，提高电阻存储器的存储密度。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种实现多值电阻存储器的方法，该方法包括制作电极层/电阻转变层/电极层这样三明治结构的电阻存储器单元，并在电极 层与电阻转变层交界的电极层表面上制作多个突起的导电尖端，该导电尖端的高度不等；在两边电极层加大小不等的电压，在导电尖端处形成电场，该电场诱导导电细丝在尖端处形成并最终连通两电极层，实现多值电阻存储器。上述方案中，所述电极层采用的材料是金属、低电阻率的高掺杂硅或者TiN。上述方案中，所述电阻转变层是掺杂或不掺杂的过渡族金属氧化物，或者是固态 电解质材料。上述方案中，所述导电尖端采用的材料与电极采用的材料相同或者不同，且具有 较好的导电性。上述方案中，所述电极层表面的导电尖端是在制作电极/电阻转变层/电极这一 结构之前或制作的过程中进行制作的。上述方案中，所述在两边电极层加大小不等的电压，电阻转变层内部能够生成连 接两电极层的导电细丝，使整个三明治结构的存储器变为低电阻；在适当的大电流作用下， 导电细丝将会断裂，驱动存储器变回为高电阻状态。无论存储器处于高电阻态或低电阻态， 在较低电压作用下或是无电压作用时，电阻都不会改变。上述方案中，所述在两边电极层加大小不等的电压，在导电尖端处形成电场，具体 包括在较小电压V1作用时，高度最大的导电尖端因为距另一电极最近，其尖端处电场 较其它尖端为大，从而最容易在该处形成导电细丝，此时器件变化到电阻R1 ；若施加一较大电压V2，高度稍小一些的尖端处也能够诱导形成导电细丝，电阻变 化到R2,并且R1 > R2 ；依此类推，制做η个高度不等的导电尖端，η为自然数，则器件将处于η+1个电阻 状态中，从而实现了多值存储。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有一下有益效果1、利用本发明，由于在同一个电阻转变器件内实现了多处导电细丝的控制性生 长，所以可以在同一个器件存储多个电阻状态，从而实现了多值高密度存储。2、利用本发明，由于导电细丝在尖端处诱导形成，所以器件的可靠性得到了大大 的提高。
图1是本发明提供的实现多值电阻存储器的方法流程图；图2是能够实现2个比特位存储的电阻存储器的单元结构，它可以存储4个电阻 状态。图中上下两层是电极，中间一层是具有电阻转变功能的材料，白色的突出代表加工出 来的导电尖端。图3是模拟的两边电极加电压时器件内部的等势电场线的分布图，图中等势电场 线越密集的区域电场强度越大。从该图可以看出高度越大的导电尖端处电场强度越大。图4是加一较小电压V1时，最高导电尖端处能诱导形成导电细丝而其余处不行， 器件电阻为R1。图5是对器件施加一较大电压V2时，最高和次高导电尖端能诱导形成导电细丝， 器件电阻为R2.图6是对器件施加更大电压V3时，三个导电尖端处都能诱导形成导电细丝，器件电阻为R3-应该有R1 > R2 > R3,并且 V1 < V2 < V3O
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供的电阻存储器单元的结构包括上电极层、存储功能层、下电极层。其 中，上下电极层由导电性好的材料构成，存储介质层为具有电阻转变特性的固态电解质或 金属氧化物材料。在电极层与电阻转变材料层交界面的那一面，制作嵌入到功能材料层的 导电尖端。在两电极加电压时，导电尖端处的电场比同一电极其它地方的电场强，会诱导导 电细丝在尖端处优先形成。如果在同一电极上制做高度不一的导电尖端，在不同大小的电 压作用，各导电尖端处会先后不一的诱导形成导电细丝，从而使器件能处于不同的电阻状 态，实现电阻存储器的多值存储。如图1所示，图1是本发明提供的实现多值电阻存储器的方法流程图，该方法包括 以下步骤步骤1 制作电极层/电阻转变层/电极层这样三明治结构的电阻存储器单元，并 在电极层与电阻转变层交界的电极层表面上制作多个突起的导电尖端，该导电尖端的高度 不等；步骤2 在两边电极层加大小不等的电压，在导电尖端处形成电场，该电场诱导导 电细丝在尖端处形成并最终连通两电极层，实现多值电阻存储器。其中，所述电极层采用的材料可以是金属(如Cu，Pt，W或Ag)、低电阻率的高掺杂 硅或者其它的材料(如TiN)。所述电阻转变层可以是掺杂或不掺杂的过渡族金属氧化物， 或者是固态电解质材料。所述导电尖端采用的材料与电极采用的材料相同或者不同，且具 有较好的导电性。电极层表面的导电尖端是在制作电极/电阻转变层/电极这一结构之前 或制作的过程中进行制作的。另外，所述在两边电极层加大小不等的电压，电阻转变层内部能够生成连接两电 极层的导电细丝，使整个三明治结构的存储器变为低电阻；在适当的大电流作用下，导电细 丝将会断裂，驱动存储器变回为高电阻状态。无论存储器处于高电阻态或低电阻态，在较低 电压作用下或是无电压作用时，电阻都不会改变。所述在两边电极层加大小不等的电压，在导电尖端处形成电场，具体包括在较小 电压V1作用时，高度最大的导电尖端因为距另一电极最近，其尖端处电场较其它尖端为大， 从而最容易在该处形成导电细丝，此时器件变化到电阻R1 ；若施加一较大电压V2，高度稍小 一些的尖端处也能够诱导形成导电细丝，电阻变化到R2,并且R1 > R2 ；依此类推，制做η个 高度不等的导电尖端，η为自然数，则器件将处于η+1个电阻状态中，从而实现了多值存储。下面结合具体的实施例来说明本发明提供的这种实现多值电阻存储器的方法。把电阻存储器的存储单元制做成三明治夹层式的结构，外边两层是电极层，里面 是一层具有电阻转变功能的材料。在平坦的电极与电阻转变材料交界面上加工出突出的具 有不同高度的导电尖端，导电尖端与电极可是同种材料，也可以是不同种材料。对两边电极 层施加一较小电压V1时，高度最大的导电尖端因为距另一电极最近，其尖端处电场较其它尖端为大，所以最先在该处诱导形成导电细丝，器件变化到电阻礼。若施加一较大电压V2， 高度稍小一些的尖端处也能够诱导形成导电细丝，电阻变化到r2。如果施加更大的电压，则 会有更多的导电尖端处形成导电细丝，器件从而变化到电阻R3、R4，...。导电细丝形成的越 多，器件的电阻就越小，因此R1 > R2 > R3 > ...。依此方法，制做η个高度不等的导电尖 端，则器件可以处于η+1个电阻状态中。从而实现了多值存储。图2示出了能够实现2个比特位存储的电阻存储器的单元结构，它可以存储4个 电阻状态。图中上下两层是电极，中间一层是具有电阻转变功能的材料，白色的突出代表加 工出来的导电尖端。图3示出了模拟的两边电极加电压时器件内部的等势电场线的分布图，图中等势 电场线越密集的区域电场强度越大。从该图可以看出高度越大的导电尖端处电场强度越 大。图4示出了加一较小电压V1时，最高导电尖端处能诱导形成导电细丝而其余处不 行，器件电阻为队。图5示出了对器件施加一较大电压V2时，最高和次高导电尖端能诱导形成导电细 丝，器件电阻为r2。图6示出了对器件施加更大电压V3时，三个导电尖端处都能诱导形成导电细丝， 器件电阻为R3。其中，R1 > R2 > R3,并且V1 < V2 < V3。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种实现多值电阻存储器的方法，其特征在于，该方法包括制作电极层/电阻转变层/电极层这样三明治结构的电阻存储器单元，并在电极层与电阻转变层交界的电极层表面上制作多个突起的导电尖端，该导电尖端的高度不等；在两边电极层加大小不等的电压，在导电尖端处形成电场，该电场诱导导电细丝在尖端处形成并最终连通两电极层，实现多值电阻存储器。
2.根据权利要求1所述的实现多值电阻存储器的方法，其特征在于，所述电极层采用 的材料是金属、低电阻率的高掺杂硅或者TiN。
3.根据权利要求1所述的实现多值电阻存储器的方法，其特征在于，所述电阻转变层 是掺杂或不掺杂的过渡族金属氧化物，或者是固态电解质材料。
4.根据权利要求1所述的实现多值电阻存储器的方法，其特征在于，所述导电尖端采 用的材料与电极采用的材料相同或者不同，且具有较好的导电性。
5.根据权利要求1所述的实现多值电阻存储器的方法，其特征在于，所述电极层表面 的导电尖端是在制作电极/电阻转变层/电极这一结构之前或制作的过程中进行制作的。
6.根据权利要求1所述的实现多值电阻存储器的方法，其特征在于，所述在两边电极 层加大小不等的电压，电阻转变层内部能够生成连接两边电极层的导电细丝，使整个三明 治结构的存储器变为低电阻；在适当的大电流作用下，导电细丝将会断裂，驱动存储器变回 为高电阻状态。
7.根据权利要求6所述的实现多值电阻存储器的方法，其特征在于，无论存储器处于 高电阻态或低电阻态，在较低电压作用下或是无电压作用时，电阻都不会改变。
8.根据权利要求1所述的实现多值电阻存储器的方法，其特征在于，所述在两边电极 层加大小不等的电压，在导电尖端处形成电场，具体包括在较小电压V1作用时，高度最大的导电尖端因为距另一电极最近，其尖端处电场较其 它尖端为大，从而最容易在该处形成导电细丝，此时器件变化到电阻R1 ；若施加一较大电压V2,高度稍小一些的尖端处也能够诱导形成导电细丝，电阻变化到 R2，并且 R1 > R2 ；依此类推，制做η个高度不等的导电尖端，η为自然数，则器件将处于η+1个电阻状态 中，从而实现了多值存储。
全文摘要
本发明公开了一种实现多值电阻存储器的方法，该方法包括制作电极层/电阻转变层/电极层这样三明治结构的电阻存储器单元，并在电极层与电阻转变层交界的电极层表面上制作多个突起的导电尖端，该导电尖端的高度不等；在两边电极层加大小不等的电压，在导电尖端处形成尖端电场，该电场诱导导电细丝在尖端处形成并最终连通两电极层，实现多值电阻存储器。利用本发明，实现了电阻存储器的多值存储。
文档编号H01L45/00GK101964395SQ20091008959
公开日2011年2月2日 申请日期2009年7月22日 优先权日2009年7月22日
发明者刘明, 刘琦, 张森, 龙世兵 申请人:中国科学院微电子研究所