[发明专利]双稳态可编程电阻式随机存取存储器

说明书

技术领域

本发明是有关于以可编程电阻式存储材料为基料的高密度的存储装置及制造这些装置的方法，可编程电阻式存储材料包括以金属氧化物为基料的材料及其他材料。

背景技术

相变化存储材料广泛的应用于可读写光碟片(read-write optical disk)。此材料具有至少两种固相(solid phase)，例如一般的非晶形固相(amorphous solidphase)及一般的晶形固相(crystalline solid phase)。激光脉冲施加于可读写光碟片上以转换相位，及于相位改变后读入材料的光学属性。

相变化存储材料，如硫属化合物(chalcogenide)材料及类似的材料，可藉由集成电路内适当的电流达成相位改变。一般的非晶形状态较一般的晶形状态具有高电阻率的特征，其可迅速地感应至指定的数据。这些特性引起使用可编程电阻式存储材料，以制作可随机存取的非挥发性存储电路的注意。

一般系以低电流的操作使非晶形状态改变至晶形状态。此处将由晶形状态改变至非晶形状态的变化归类为重置(reset)。重置是高电流的操作，其包括一短暂的高密度电流脉冲，以融化或崩溃晶形结构。且于相变化材料迅速冷却后，抑制相位改变的过程，以使至少一部份的相变化结构可以稳定在非晶形状态。此部分需最小化重置电流的大小，重置电流用以改变材料相位由晶形状态转变至非晶形状态。藉由减少相变化材料元件的胞体大小，及减少电极与相变化材料的接触面积的大小，可降低重置时重置电流的大小，以实现高电流密度中具有小绝对值的电流通过相变化材料元件。

制作小孔隙于集成电路结构，且应用小量的可编程电阻式材料以填充小孔隙为一发展方向。阐述发展小孔隙的专利包括Ovshinsky于1997年11月11日所发布的″Multibit Single Cell Memory Element Having TaperedContact″(美国专利号码5687112)；Zahorik等人于1998年8月4日所发布的″Method of Making Chalogenide[sic]Memory Device″(美国专利号码5789277)；Doan等人于2000年11月21日所发布的″Controllable OvonicPhase-Change Semiconductor Memory Device and Methods of Fabricating theSame″(美国专利号码6150253)。

制造具非常小尺寸的这些装置面临问题，且大尺寸的存储装置的工艺变化亦须符合较为严谨的规格需求。为寻求更大的存储空间，可储存多个位元的相变化存储器将炙手可热。

发明内容

一双稳态可编程电阻式随机存取存储器包括多个可编程电阻式随机存取存储单元。每个可编程电阻式随机存取存储单元具有多个存储层堆叠。每个存储层堆叠包括一导电层，位于一可编程电阻式随机存取存储层上。

每个可编程电阻式随机存取存储层具有多层次存储态，例如一第一位元用以储存一第一状态，及一第二位元用以储存一第二状态。第一存储层堆叠系与第二存储层堆叠串联，且第二存储层堆叠与第三存储层堆叠串联。一存储单元具有三个存储层堆叠可提供八个逻辑状态，或2^k个逻辑状态。k表示存储层或存储层堆叠的数量。存储层堆叠的数量可依据存储器设计而增减。例如一个存储单元具有两个存储层堆叠，则存储层堆叠减少，又如一个存储单元具有四个存储层堆叠，则存储层堆叠增加。

第一可编程电阻式随机存取存储层、第二可编程电阻式随机存取存储层或第三可编程电阻式随机存取存储层的适合材料包括金属氧化物、巨磁阻(colossal megnetoresistance，CMR)材料、三元氧化物(three-element oxide)、相变化材料及以聚合物为基料的材料。上述所提的材料并非用以限定材料的选用。用于第一可编程电阻式随机存取存储层的电阻式随机存取存储器(RRAM)材料与用于第二可编程电阻式随机存取存储层的RRAM材料系可为相同或相异。用于第三可编程电阻式随机存取存储层的RRAM材料与第一可编程电阻式随机存取存储层的RRAM材料系可为相同或相异。用于第三可编程电阻式随机存取存储层的RRAM材料与用以第二可编程电阻式随机存取存储层的RRAM材料系可为相同或相异。每个用于第一、第二及第三可编程电阻式随机存取存储层的材料的厚度具有一范围，举例而言，大约为1nm至200nm。