[实用新型]一种可实现多位存储的RRAM存储单元结构

说明书

技术领域

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

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。

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。

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SONOS）、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。

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。

传统的RRAM器件是典型的MIM“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“0”和“1”的存储。

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

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。

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。

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。

优选地，所述阻变层为氧化硅、氧化锗或过渡金属氧化物。

优选地，所述阻变层的台阶数为三个。

优选地，所述衬底为硅或锗半导体材料。

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。

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。

附图说明

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

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。

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。