[发明专利]一种多阻态忆阻器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路及其制造技术领域，具体涉及一种多阻态忆阻器。

背景技术

忆阻器(Memristor)是独立于电阻、电容和电感之外的第四种基本电路元素。在1971年首次提出忆阻器的概念，在2008年惠普公司首先从实验上证实了忆阻器件的存在。忆阻器是一种具有记忆功能的非线性两端无源器件，它用阻值变化反应了器件两端总磁通量对流过其中的电荷量q的变化关系q都与时间相关，可反映了器件的历史状态，从而实现记忆功能。由于其具有的独特电阻记忆功能，忆阻器在高密度存储、可重构逻辑电路和神经元器件等方面具有很大的应用潜力，尤其是在多值非挥发存储方面的应用受到了研究人员的普遍重视。忆阻器的典型结构是类似电容的金属-阻变层-金属三层结构。这一器件结构的电阻变化通过外加合适电压或电流激励实现。忆阻器的操作按电压操作方式分有单极、双极两种工作模式。单极模式的阻变现象依赖于电压激励的大小，与方向无关。双极模式的阻变现象取决于所加电压激励的方向。

多值存储是非挥发存储器的一种存储技术，具体是指在存储器的一个节点上记录多于一比特的二进制数据，从而增大存储器的存储密度，提高存储容量。多值存储技术存在的主要问题在于多值存储的稳定性和一致性较差，难以保证数据的可靠读取。

发明内容

(一)所要解决的技术问题

本发明的目的是通过提供一种多阻态忆阻器，解决忆阻器在多值存储技术中，多值存储的稳定性和一致性较差，难以保证数据的可靠读取。

（二）技术方案

本发明提供了一种多阻态忆阻器，包括:自下而上依次形成的底电极层、阻变层和顶电极层；其中，

所述顶电极层和所述底电极层，用于与外部电源进行电连接；

所述阻变层，用于实现多阻态之间的转换。

优选的，所述底电极为惰性金属、氮化钛和重掺杂硅中的一种；所述阻变层为氧化铪；所述顶电极为氮钛钽。

优选的，该多阻态忆阻器还包括电极引出层，用于分别引出顶电极和底电极，并与外部电源进行电连接。

优选的，所述电极引出层为铝铜合金。

优选的，还包括位于底电极层下的衬底层。

优选的，所述衬底层的材料为硅。

优选的，所述衬底层与所述底电极层之间还包括：自下而上依次形成的二氧化硅层和钛层；用于粘附所述底电极层和所述衬底层。

优选的，隔离层，用来隔离不同的多阻态忆阻器。

优选的，所述隔离层包括自下而上依次形成的氮化硅层和二氧化硅层。

（三）有益效果

本发明提出的氮钛钽/二氧化铪/铂（TaTiN/HfO₂/Pt）结构的多阻态忆阻器件，可以产生四个稳定的电阻态，本发明中的多阻态忆阻器件CMOS工艺兼容、阻值一致性好、多值窗口大且稳定。应用在实际集成电路中可使每个存储节点存储两位二进制数据，显著提高存储器的存储密度。同时利用同时存在的单极、双极阻变现象实现多阻态，拓宽了实现多阻态的思路。

附图说明

图1为多阻态忆阻器的结构示意图；

图2为多阻态中的阻值示意图；

图3为多阻态忆阻器的电压激励和阻态转换关系示意图；

图4为多阻态忆阻器实现多阻态操作模式图；

图5为实验测试的阻值分布图。

具体实施方式

下面对本发明结合附图和实施例进行详细说明。

本发明提出了一种基于氮钛钽/二氧化铪/铂（TaTiN/HfO₂/Pt）结构的多阻态忆阻器，器件的主要结构为TaTiN/HfO₂/Pt，如图1所示：包括:自下而上依次形成的底电极层、阻变层和顶电极层；其中，顶电极层和底电极层，用于与外部电源进行电连接；阻变层，用于实现四个阻态之间的转换。其中，底电极为铂；阻变层为氧化铪；顶电极为氮钛钽。

多阻态忆阻器还包括电极引出层，用于分别引出顶电极和底电极，并与外部电源进行电连接；电极引出层为铝铜合金。图中自左向右第一和第三个电极引出层的接触孔引出的是底电极，第二和第四个电极引出层的接触孔引出的是顶电极。

多阻态忆阻器还包括位于底电极层下的衬底层，衬底层的材料为硅Si，在衬底层与所述底电极层之间还包括：自下而上依次形成的二氧化硅（SiO2）层和钛（Ti）层；用于粘附所述底电极层和所述衬底层。