一种可实现多位存储的rram存储单元结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种可实现多位存储的RRAM存储单元结构，包括衬底、位于衬底上的下电极、位于下电极上的阻变层，以及位于阻变层上的上电极；该阻变层具有多个不同厚度的梯度层面，这些梯度层面的材料相同。本实用新型可以实现单一存储单元的多值存储，从而提高存储器的存储密度，降低成本；另外，由于仅仅是对阻变层的厚度作了改进，没有采用新的材料，和传统的阻变存储器加工工艺兼容，工艺简单。
【专利说明】一种可实现多位存储的RRAM存储单元结构
【技术领域】
[0001]本实用新型属于非挥发性半导体存储器领域，具体地说，涉及一种多值存储的高密度存储单元结构。
【背景技术】
[0002]电子信息时代，半导体存储器在信息存储方面发挥着至关重要的作用。非挥发性存储器由于掉电后数据仍然能够保持，因此，在移动存储媒介方面具有更大的优势。
[0003]当前非挥发性存储器的典型器件结构为浮栅型存储器。然而随着微电子技术工艺节点不断向前发展，基于传统浮栅结构的Flash存储器正面临着数据存储可靠性的严峻挑战。
[0004]为了应对传统浮栅型结构所遇到的问题，近年来各种新型的非挥发性存储器得到了迅速的发展，主要包括分立电荷存储器(如纳米晶和S0N0S)、铁电存储器(FRAM)、相变存储器(PRAM)、磁存储器(MRAM)、微机电存储器和阻变存储器(RRAM)。作为下一代存储器的候选者必须具有以下特征:可缩小性好、存储密度高、功耗低、读写速度快、反复操作耐受力强、数据保持时间长、与CMOS工艺兼容等。
[0005]阻变式存储器(Resistive Random Access Memory,简称RRAM)是以材料的电阻在外加电场作用下可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的一类前瞻性下一代非挥发存储器，它具有在32nm节点及以下取代现有主流Flash存储器的潜力，成为目前新型存储器的一个重要研究方向。
[0006]传统的RRAM器件是典型的MM “三明治”结构，上下电极之间是能够发生电阻转变的阻变层材料。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“O”和“I”的存储。
[0007]随着存储设备不断向大容量、高密度存储的方向发展，每个单元结构的RRAM实现多值存储是一个十分有效的解决方案。多值存储对于RRAM而言意味着阻变层必须有大于两个的、稳定的和容易区分的状态。因此，如何制备出一个多阻值状态的RRAM单元结构是
一项重要课题。
实用新型内容
[0008]本实用新型提出了一种可实现多位存储的RRAM存储单元结构，可以提高存储设备的存储密度。
[0009]本实用新型的多位存储的RRAM存储单元结构，包括衬底、位于所述衬底上的下电极，位于所述下电极上的阻变层，以及位于所述阻变层上的上电极；所述阻变层具有多个不同厚度的梯度层面，且所述梯度层面的材料相同。
[0010]优选地，所述梯度层面的上表面的各个梯度层面面积值相同。
[0011]优选地，所述阻变层为氧化硅、氧化锗或过渡金属氧化物。
[0012]优选地，所述阻变层的台阶数为三个。[0013]优选地，所述衬底为硅或锗半导体材料。
[0014]本实用新型提供的阻变存储器的阻变层包含具有多个不同厚度的梯度层面，对于不同厚度的阻变材料，发生阻变所需的电压不同，且发生阻变后的阻值也不同；也就是说，对于本实用新型阻变存储器而言，一个单元结构的实际阻值，是由不同厚度的阻变层阻值的并联值决定的。因此，通过在上下电极上施加不同的电压，可以使得阻变存储器呈现超过两个的阻值状态。
[0015]与传统的方案相比，本实用新型提供的阻变存储器结构可以实现单一存储单元的多值存储，从而提高存储器的存储密度，降低成本。另外，由于仅仅是对阻变层的厚度作了改进，使其具有多个不同厚度的梯度层面，并没有采用新的材料，可以继续采用传统的阻变存储器加工工艺，即具有兼容性强和工艺简单的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型多位存储的RRAM存储单元结构一较佳实施例的示意图，其中，阻变层中具有两个不同厚度的梯度层面
【具体实施方式】
[0017]体现本实用新型特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及图示在本质上仅做说明之用，而非用以限制本实用新型。
[0018]需要说明的是，与现有技术相同的是，本实用新型的多位存储的RRAM存储单元结构，包括衬底、位于衬底上的下电极，位于下电极上的阻变层，以及位于阻变层上的上电极；与现有技术不同的是，它的阻变层具有多个不同厚度的梯度层面，通常情况下，制作梯度层面的材料和工艺步骤均相同。
[0019]请参阅图1，图1为本实用新型多位存储的RRAM存储单元结构一较佳实施例的示意图，在本实施例中，阻变层中具有两个不同厚度的梯度层面。如图1所示，本实用新型的阻变存储器包括衬底101、位于衬底上的下电极102、位于下电极102上的阻变层中两个不同厚度的梯度层面103A和103B，以及位于阻变层上的上电极104。也就是说，本实用新型中的阻变层由材料相同、厚度不同的两部分梯度层面103A和103B组成，且阻变层103A的厚度hi小于阻变层103B的厚度h2，代替了传统阻变存储器中只有单一厚度的阻变层的结构。
[0020]虽然在本实施例中公开的是具有两种厚度阻变层的阻变存储器，但本领域技术人员不难想到，通过再增加一个或几个厚度的阻变层，可以获得和本实施例原理相同的、存储密度更高的阻变存储器。一般的，RRAM存储单元的存储状态数比梯度层面的台阶数多一个。梯度层面的台阶数越多，RRAM存储单元的存储位数可以相应的增长。较佳地，阻变层的台阶数为三个。
[0021]从梯度层面的上表面的各个梯度层面面积值看，可以根据需要取值不同，也可以根据需要取值相同。
[0022]具体的，衬底101可以是硅、锗等半导体材料，阻变层103A和103B可以是氧化硅、氧化锗、过渡金属氧化物或其他具有阻变特性的材料，电极可以是镍、钼、钨等金属材料。[0023]对于制备本实施例的阻变存储器的过程，在制备不同厚度的阻变层时需要增加几步工艺，而其他的工艺步骤只需保持和传统的阻变存储器的制备工艺相同即可。下面我们以阻变材料是氧化硅的情况，按如下方式制备两种不同厚度的梯度阻变层面:
[0024]步骤S1:在制备好的下电极上沉积厚度为h2的氧化硅梯度层面103B ；
[0025]步骤S2:在厚度为h2的氧化硅梯度层面103B光刻定义一个薄氧化硅区域；
[0026]步骤S3:刻蚀该薄氧化娃区域至剩余厚度为hi,形成梯度层面103A。
[0027]从上述可见，本实施例的工艺制备方法只需比传统的阻变存储器方法增加若干步工艺(步骤S2和步骤S3)即可。其它的制备步骤完全与享有制备工艺相同，在此不再赘述。
[0028]本实施例的阻变存储器可以存储三个状态，复位(reset)状态(第一存储状态)下，厚度为hi和h2的阻变材料呈高阻状态，阻值分别为rl和r2 (rl<r2);置位(set)状态(第三存储状态)下，厚度为hi和h2的阻变材料呈低阻状态，阻值分别为rl’和r2’(rl’ <r2’ <<rl<r2);我们知道,对于较薄的厚度为hi的阻变材料而言,置位电压Vl较低，而对于较厚的厚度为h2的阻变材料而言，置位电压V2较高，如果施加一个大小介于Vl和V2之间的置位电压，那么，这时该阻变存储器处于第二存储状态。
[0029]当该阻变存储器处于第一存储状态时，两种厚度的阻变材料都处于复位状态下，总的阻值Rl=rl//r2。
[0030]当该阻变存储器处于第二存储状态时，即施加一个大小介于置位电压Vl和置位电压V2之间的置位电压，则厚度较薄的阻变材料发生阻变，而厚度较厚的阻变材料未发生阻变，R2=rl，//r2 ?rl，。
[0031]当该阻变存储器处于第三存储状态时，即施加一个大于V2的置位电压，则两种厚度的阻变材料都发生阻变，R3=rl’ 11x1，。
[0032]综上所述，根据大小关系，R1>R2>R3，即该阻变存储器一共有3个阻值状态。当然，前面提到，通过再增加一个或几个厚度的阻变层，可以获得和本实施例原理相同的、拥有4个或4个以上的阻值状态，存储密度可以变的更高，在此不再赘述。
[0033]因此，通过本实施例的描述可以看出，与传统的方案相比，本实用新型提供的阻变存储器结构可以在不增加材料和工艺复杂度的情况下，实现单一存储单元的多位存储，从而提高存储器的存储密度。
[0034]以上所述的仅为本实用新型的实施例，所述实施例并非用以限制本实用新型的专利保护范围，因此凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.一种可实现多位存储的RRAM存储单元结构，包括:衬底、位于所述衬底上的下电极，位于所述下电极上的阻变层，以及位于所述阻变层上的上电极；其特征在于，所述阻变层具有多个不同厚度的梯度层面，且所述梯度层面的材料相同。
2.根据权利要求1所述的RRAM存储单元结构，其特征在于，所述梯度层面的上表面的各个梯度层面面积值相同。
3.根据权利要求1所述的RRAM存储单元结构，其特征在于，所述阻变层为氧化硅、氧化锗或过渡金属氧化物。
4.根据权利要求1所述的RRAM存储单元结构，其特征在于，所述阻变层的台阶数为三个。
5.根据权利要求1所述的RRAM存储单元结构，其特征在于，所述衬底为硅或锗半导体材料。
【文档编号】H01L45/00GK203644823SQ201320884857
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】范春晖, 左青云 申请人:上海集成电路研发中心有限公司