專利名稱：一次編程存儲器的多值存儲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種一次編程存儲器的多值存儲方法，屬于微電子制造及存儲器技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前國際上興起了研究新一代存儲器的熱潮，各種新一代的存儲器種類繁多，機 制各異，具體哪種能夠得到集成電路制造廠商和消費者的青睞尚不明確。但是有一點是可 以肯定的，在保證性能的前提下，提高存儲密度使得存儲每位數(shù)據(jù)的成本越低就越有市場 競爭力，這在很大程度上決定著新一代存儲器能否最終被采用。一般而言，提高存儲器的密 度有兩種有效的方式第一是通過工藝或者器件結(jié)構(gòu)設(shè)計來減小單元面積的尺寸，采用交 叉陣列結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)理論上的最小單元面積；第二是采用多級存儲單元，它可以在不增大 存儲面積的情況下極大地提高存儲密度，降低位/面積的成本，在實際應(yīng)用中有著很好的 市場前景。目前國際上各大公司和研究機構(gòu)都在積極研發(fā)基于交叉陣列結(jié)構(gòu)和基于多值存 儲單元的存儲器技術(shù)，以期能在未來的市場競爭中占據(jù)領(lǐng)先地位。作為下一代非揮發(fā)存儲器的強有力競爭者，阻變存儲器由于具備操作電壓低、結(jié) 構(gòu)簡單、操作速度快、記憶時間長、器件面積小、可多級存儲及能進(jìn)行三維堆疊等特點得到 了廣泛深入的研究。如圖1所示，在外加偏壓的作用下，器件的電阻會在高低阻態(tài)之間發(fā)生 轉(zhuǎn)換從而實現(xiàn)“0”和“1”的存儲。阻變存儲器能夠采用交叉陣列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高密度存儲。在 交叉陣列結(jié)構(gòu)中，上下相互垂直的平行導(dǎo)線中間夾含著存儲單元，每一個存儲單元都可以 實現(xiàn)器件的選通并進(jìn)行讀寫。但是，由于存儲器單元對稱的電學(xué)特性，交叉陣列結(jié)構(gòu)中存在 讀串?dāng)_問題。如圖2所示相鄰的四個器件，若Al為高阻態(tài)而其他為低阻態(tài)，在讀取Al的阻 態(tài)時，希望的電流通路如圖2中實線所示，但實際上的電流通路卻如圖2中虛線所示，使得 讀出來的電阻值不是Al的高阻態(tài)電阻值，這就是讀串?dāng)_現(xiàn)象，從而導(dǎo)致誤讀。一次編程存儲器是一種非常重要的非揮發(fā)性存儲器，由于其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等 特點被廣泛的應(yīng)用于永久性資料存儲、代碼存儲、校準(zhǔn)表及設(shè)置參數(shù)等一旦編程后一般不 需改變的領(lǐng)域。一次編程存儲器的重要特點就是成本低廉、存儲密度高、功耗低及讀取速度 快，但是，一般的一次編程存儲器都只具有兩種狀態(tài)“0”和“ 1 ”，存儲密度低，位/面積的成 本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有一次編程存儲器存在的缺陷，而提供一種一次 編程存儲器的多值存儲方法，所要解決的技術(shù)問題是實現(xiàn)一次編程存儲器的多值存儲、實 現(xiàn)更高的存儲密度以及避免交叉陣列結(jié)構(gòu)中的誤讀。本發(fā)明的一次編程存儲器的多值存儲方法，所述一次編程存儲器包括雙極型阻變 存儲器和整流二極管，所述雙極型阻變存儲器和所述整流二極管之間相串聯(lián)；對所述一次 編程存儲器施加至少兩種不同電壓值的編程電壓或者不同電流強度的編程電流，使所述一次編程存儲器從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成至少兩種不同的低阻態(tài)，實現(xiàn)多值存儲。其中，所述雙極型阻變存儲器包括中間電極、電阻轉(zhuǎn)變存儲層和上電極，所述電阻 轉(zhuǎn)變存儲層位于所述上電極和所述中間電極之間。所述整流二極管為肖特基型二極管，所述肖特基型二極管包括下電極、二極管功 能層和中間電極；所述二極管功能層位于所述中間電極和所述下電極之間。所述二極管功能層由至少一種以下材料或者至少一種以下材料經(jīng)摻雜改性后形 成的材料而形成NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO, HfOx, ZnO、Si 和有機材料。所述下電極由至少一種以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、ΙΖΟ、 YBC0、LaA103、SrRu03、Si 以及多晶硅。 所述整流二極管為PN結(jié)型二極管，所述PN結(jié)型二極管包括下電極、二極管功能層 和中間電極；所述二極管功能層位于所述中間電極和所述下電極之間；所述二極管功能層 中的P型和N型材料層由至少一種以下材料或者至少一種以下材料經(jīng)摻雜改性后形成的材 料而形成NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO, HfOx, ZnO、InZnOx, Si 以及有機材料。所述下電極由至少一種以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、ΙΖ0、 YBC0、LaA103、SrRu03、Si 以及多晶硅。所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層由至少一種以下材料或者至少一種以下材料經(jīng)摻雜改性后 形成的材料而形成Ni0、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, Co0、HfOx, MoOx, ZnO、PCMO, LCMO, SrTiO3、BaTiO3、SrfrO3、非晶硅以及有機材料。所述上電極和所述中間電極均由至少一種以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、 TiN、ITO、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRuO3> Si 以及多晶硅。有益效果本發(fā)明的一次編程存儲器的多值存儲方法實現(xiàn)了一次編程存儲器的多 值存儲；同時能夠有效地抑制交叉陣列結(jié)構(gòu)中的讀串?dāng)_，便于一次編程存儲器和外圍電路 的集成，簡化了器件的制備工藝，降低了成本。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)在理想情況下阻變存儲器的電流電壓特性曲線示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)在理想情況下阻變存儲器在交叉陣列結(jié)構(gòu)中讀串?dāng)_示意圖；圖3是本發(fā)明實施例一次編程存儲器多值存儲原理的示意圖；圖4是本發(fā)明實施例一次編程存儲器的電流_電壓特性曲線示意圖；圖5是本發(fā)明實施例一次編程存儲器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明實施例一次編程存儲器的制備方法流程圖。
具體實施例方式為更進(jìn)一步闡 述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的一次編程存儲器的多值存儲方法，其具體實施方 式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如下。實施例如圖3所示為本發(fā)明實施例的一次編程存儲器的多值存儲原理的示意圖，該方法 是對一次編程存儲器施加不同電壓值的編程電壓或者不同電流強度的編程電流，使電阻處于不同的低阻狀態(tài)，實現(xiàn)多值存儲；編程電壓的極性或者編程電流的方向與整流二極管的 正向電壓極性或者正向電流方向一致。如圖4所示，一次編程存儲器在直流掃描模式測試下得到的電流電-壓特性曲線 示意圖。本發(fā)明實施例的一次編程存儲器開始處于高阻態(tài)，即狀態(tài)1，當(dāng)施加一個編程電壓 Ua或編程電流Ia時，一次編程存儲器從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)，即狀態(tài)2 ；當(dāng)施加一個編程電 壓Ub或編程電流Ib時，一次編程存儲器從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成另外一種低 阻態(tài)，即狀態(tài)3 ；施加 兩種電壓值不同編程電壓或電流強度不同的編程電流，一次編程存儲器存在三種不同的狀 態(tài)，“00”、“01”和“10”。依此類推，施加不同電壓值的編程電壓或者不同電流強度的編程電 流，一次編程存儲器從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成不同的低阻狀態(tài)；在負(fù)電壓方向，由于整流二極管的整 流作用，一次編程存儲器從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變成高阻態(tài)的過程被抑制，因此一次編程存儲器一直 保持在低阻狀態(tài)，從而使一次編程存儲器實現(xiàn)一次編程的多值存儲。一次編程存儲器編程后在士 IV的讀取電壓下，不同的低阻態(tài)(狀態(tài)2和狀態(tài)3) 的正向電流和負(fù)向電流比約為IO2和103，可以有效地抑制交叉陣列結(jié)構(gòu)中的讀串?dāng)_，避免 誤讀發(fā)生。上述的一次編程存儲器如圖5所示，包括雙極型阻變存儲器20和整流二極管10， 雙極型阻變存儲器20和整流二極管10之間相串聯(lián)。整流二極管10包括下電極101、二極 管功能層102和中間電極30，二極管功能層102位于下電極101和中間電極30之間。雙 極型阻變存儲器20包括上電極203、電阻轉(zhuǎn)變存儲層202和中間電極30，電阻轉(zhuǎn)變存儲層 202位于上電極203和中間電極30之間，中間電極30為雙極型阻變存儲器20和整流二極 管10共有。整流二極管10可以為肖特基型或者PN結(jié)型二極管。如為肖特基型二極管，其功能 層102由至少一種以下材料或者至少一種以下材料經(jīng)摻雜改性后形成的材料而形成NiO、 Ti0x、Cu0x、&0x、Ta0x、A10x、Co0、Hf0x、Zn0、Si以及有機材料。如為PN結(jié)型二極管，其功能 層102中P型和N型材料層由至少一種以下材料或者至少一種以下材料經(jīng)摻雜改性后形成 的材料而形成NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, ZnO, InZnOx, Si 以及有機材料。 在本實施例中，整流二極管10為肖特基型二極管，其功能層102由CuOx制成。上電極203、中間電極30和下電極101均由至少一種以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、 Ti、Al、Cu、TiN、ITO、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRuO3> Si 以及多晶硅。電阻轉(zhuǎn)變存儲層202由至少一種以下材料或者至少一種以下材料經(jīng)摻雜改性后 形成的材料而形成NiO、TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, MoOx, ZnO, PCMO, LCMO, SrTiO3、BaTiO3、SrfrO3、非晶硅以及有機材料。上電極203的厚度為5納米 500納米；電阻轉(zhuǎn)變存儲層202的厚度為10納米 200納米；中間電極30的厚度為5納米 500納米；二極管功能層102的厚度為10納米 1000納米；下電極101的厚度為5納米 500納米。在本實施例中，下電極101由η+摻雜的Si形成，中間電極30由Pt形成，上電極 203由Ag形成，電阻轉(zhuǎn)變存儲層202由&02形成；上電極203厚度為50納米，電阻轉(zhuǎn)變存 儲層202的厚度為50納米，中間電極30的厚度為50納米，整流二極管功能層102的厚度 為35納米，下電極101的厚度為100納米。如圖4所示，本實施例中的一次編程存儲器初始態(tài)為高阻態(tài)，即狀態(tài)1 ；當(dāng)編程電壓達(dá)到3V，限流為IOmA時，一次編程存儲器被編程到狀態(tài)2 ；當(dāng)編程電壓達(dá)到3V，沒有限流 時，一次編程存儲器被編程到狀態(tài)3，從而實現(xiàn)三級存儲。因此，只要控制不同的限流，即不 同的編程電流，就可以實現(xiàn)多值存儲。本發(fā)明的一次編程存儲器的制備方法如圖6所示，包括以下步驟步驟10 在襯底上形成整流二極管10 ； 首先，在襯底上形成下電極101 ；下電極101上形成二極管功能層102 ；然后，在二 極管功能層102上形成中間電極30。下電極101和中間電極30均是通過物理汽相沉積和 化學(xué)汽相沉積形成的，物理汽相沉積包括電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或者濺射；二極管功能層102 是通過電子束蒸發(fā)、濺射、等離子體增強化學(xué)汽相沉積、旋涂或者原子層沉積形成的。步驟20 在整流二極管10上形成雙極型阻變存儲器20 ；首先，整流二極管10的中間電極30上形成電阻轉(zhuǎn)變存儲層202 ；然后，在電阻轉(zhuǎn) 變存儲層202上形成上電極203。上電極203是通過物理汽相沉積和化學(xué)汽相沉積形成的， 物理汽相沉積包括電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或者濺射；電阻轉(zhuǎn)變存儲層202是通過電子束蒸發(fā)、 濺射、等離子體增強化學(xué)汽相沉積、旋涂或者原子層沉積形成的。由上述可知，在本發(fā)明的實施例中，制備了雙極型阻變存儲器和整流二極管之間 相串聯(lián)的一次編程存儲器，利用不同電壓值的編程電壓或者不同電流強度的編程電流將該 一次編程存儲器編程到不同的低阻狀態(tài)，實現(xiàn)多值存儲；同時利用二極管的整流特性能夠 有效地抑制交叉陣列結(jié)構(gòu)中的讀串?dāng)_，便于存儲器件和外圍電路的集成，簡化了器件的制 備工藝，降低了成本。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖 然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾 為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì) 對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一次編程存儲器的多值存儲方法，所述一次編程存儲器包括雙極型阻變存儲器和整 流二極管，所述雙極型阻變存儲器和所述整流二極管之間相串聯(lián)，其特征在于對所述一次 編程存儲器施加至少兩種不同電壓值的編程電壓或者不同電流強度的編程電流，使所述一 次編程存儲器從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成至少兩種不同的低阻態(tài)，實現(xiàn)多值存儲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一次編程存儲器的多值存儲方法，其特征在于所述雙極型 阻變存儲器包括中間電極、電阻轉(zhuǎn)變存儲層和上電極，所述電阻轉(zhuǎn)變存儲層位于所述上電 極和所述中間電極之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一次編程存儲器的多值存儲方法，其特征在于所述整 流二極管為肖特基型二極管，所述肖特基型二極管包括下電極、二極管功能層和中間電極； 所述二極管功能層位于所述中間電極和所述下電極之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一次編程存儲器的多值存儲方法，其特征在于所述二極管 功能層由至少一種以下材料或者至少一種以下材料經(jīng)摻雜改性后形成的材料而形成NiO、 TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, ZnO, Si 和有機材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一次編程存儲器的多值存儲方法，其特征在于所述下電極 由至少一種以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ITO、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRu03、 Si以及多晶硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一次編程存儲器的多值存儲方法，其特征在于所述整 流二極管為PN結(jié)型二極管，所述PN結(jié)型二極管包括下電極、二極管功能層和中間電極；所 述二極管功能層位于所述中間電極和所述下電極之間；所述二極管功能層中的P型和N型 材料層由至少一種以下材料或者至少一種以下材料經(jīng)摻雜改性后形成的材料而形成NiO、 TiOx, CuOx, ZrOx, TaOx, AlOx, CoO、HfOx, ZnO, InZnOx, Si 以及有機材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一次編程存儲器的多值存儲方法，其特征在于所述下電極 由至少一種以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ΙΤ0、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRu03、 Si以及多晶硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一次編程存儲器的多值存儲方法，其特征在于所述電阻轉(zhuǎn) 變存儲層由至少一種以下材料或者至少一種以下材料經(jīng)摻雜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、非晶硅以及有機材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一次編程存儲器的多值存儲方法，其特征在于所述上電極 和所述中間電極均由至少一種以下材料形成Pt、Ag、Pd、W、Ti、Al、Cu、TiN、ΙΤ0、ΙΖ0、YBCO, LaA103、SrRu03、Si 以及多晶硅。.
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一次編程存儲器的多值存儲方法，屬于微電子制造及存儲器技術(shù)領(lǐng)域。一次編程存儲器包括雙極型阻變存儲器和整流二極管，所述雙極型阻變存儲器和所述整流二極管之間相串聯(lián)，對一次編程存儲器施加至少兩種不同電壓值的編程電壓或者不同電流強度的編程電流，使所述一次編程存儲器從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成至少兩種不同的低阻態(tài)，實現(xiàn)多值存儲。本發(fā)明的一次編程存儲器的多值存儲方法實現(xiàn)了一次編程存儲器的多值存儲、實現(xiàn)了更高的存儲密度以及避免了交叉陣列結(jié)構(gòu)中的誤讀。
文檔編號G11C11/56GK102074270SQ200910310009
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者劉明, 左青云, 龍世兵 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所