[发明专利]具有忆阻器特性的半导体器件及其实现多级存储的方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种半导体器件及其实现多级存储的方法，尤其涉及一种具有忆阻器特性的半导体器件及其实现多级存储的方法，属于微电子技术以及存储器器件领域。

背景技术

半导体存储器在微电子技术领域占有非常重要的作用。存储器一般可分为挥发性和非挥发性两种。与挥发性存储器相比，非挥发性存储器其最大的优点在于在无电源供应时存储的数据仍能长时间保持下来，因此成为目前被大量使用和普遍认可的存储器类型。随着诸如手机、MP4以及笔记本电脑之类的便携式个人设备的逐渐流行，以及多媒体应用、移动通信等对大容量、低功耗存储的需要，非挥发性存储器在半导体行业中扮演越来越重要的角色。

忆阻器（记忆电阻）作为继电阻、电容和电感进入主流电子领域后的第四种基本无源电路元件，由于其像可变电阻那样，能够“记住”通过改变两端电压而改变的通过电流大小。因此该器件可以用作存储元件，当电流流向某个方向时“接通”，当电流流向相反方向时“关断”，从而实现“1”和“0”的存储。早在1971年，加州大学伯克利分校的电子工程教授蔡少堂就从电路理论上揭示了忆阻器的存在。直到2008年，美国惠普公司的研究人员R.S.Williams制作出了与蔡少堂教授所描述行为相同的忆阻器电路元件，并且证实了这种器件具有非挥发性的存储特性。对于一种具有非挥发性的存储器而言，提高存储容量对于存储器技术的发展来说显得非常重要。因此，如何提高存储容量成为当前研究的热点之一。一般而言，可以通过以下三种方法来提高存储容量，即：减小器件的面积、3D集成、以及多级存储。随着半导体技术节点的不断缩小，器件面积的进一步缩小将会遇到越来越多的挑战。因此，只是简单的通过缩小器件面积来提高存储容量显得比较困难。对于3D堆垛集成而言，制作方面存在的很多技术问题依然需要进一步解决。与以上两种提高存储容量的方法相比，多级存储能够实现在一个存储单元中存储多个数据，因此提高了存储容量。另外，多级存储可以采用现有成熟的半导体技术。因此探索一种实现忆阻器多级存储的方法有益于提高忆阻器的存储容量。

发明内容

本发明针对探索一种实现忆阻器多级存储的方法有益于提高忆阻器的存储容量的需要，提供一种具有忆阻器特性的半导体器件及其实现多级存储的方法。    

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种具有忆阻器特性的半导体器件包括上电极和下电极，以及设置于所述上电极和下电极之间的存储介质层。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述上电极和下电极为单层金属电极、双层金属复合电极或者导电金属化合物电极。

进一步，所述单层金属电极材料为W、Cr、 Al、Cu、Ni、Ag、Pt、Ru、Ti或者Ta；所述双层金属复合电极材料为Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr或者Cu/Al；所述导电金属化合物电极材料为TiN、TaN、ITO或者IZO。

进一步，所述上电极和下电极的厚度分别为10nm至500nm，所述存储介质层的厚度为5nm至500nm。

进一步，所述存储介质层由TiOx、ZrOx、HfOx、TaOx、ZnO、SrTiOx、SrZrO和非晶硅中的任意一种材料构成。

进一步，所述存储介质层由TiOx、ZrOx、HfOx、TaOx、ZnO、SrTiOx、SrZrO和非晶硅材料中的任意一种材料经过掺杂改性后形成的材料构成。

进一步，所述存储介质层由TiOx、 ZrOx、 HfOx、TaOx、ZnO、SrTiOx、SrZrO、非晶硅，以及上述材料的掺杂化合物中的任意两种或多种组成的双层以及多层构成。

本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种具有忆阻器特性的半导体器件实现多级存储的方法为当具有忆阻器特性的半导体器件在高阻态和低阻态之间发生相互转变时，通过控制转变电压的大小从而得到不同的高阻态或低阻态电阻值，进而实现在每个存储单元中存储多位数据的多值存储。

进一步，当具有忆阻器特性的半导体器件由高阻态向低阻态转变时，通过采用不同大小的写电压对该器件进行操作，从而得到不同阻值的低阻态电阻，进而实现在每个存储单元中存储多位数据的多值存储。

进一步，当具有忆阻器特性的半导体器件由低阻态向高阻态转变时，通过采用不同大小的擦除电压对该器件进行操作，从而得到不同阻值的高阻态电阻，进而实现在每个存储单元中存储多位数据的多值存储。