[发明专利]一种融入了阻变材料的多位快闪存储器

说明书

技术领域

本发明属于超大规模集成电路中的非挥发性半导体存储器技术领域，具体涉及多位快闪存储器。

背景技术

随着当前各类可移动的消费电子产品(数码相机、MP3及笔记本电脑等)的大量出现，人们对高性能、大容量、低成本非挥发性存储设备的需求也越来越大。

快闪存储器(Flash Memory，也称为闪存)是近年来被业界十分看好并有着较大市场占有份额的一种非挥发性半导体存储器。自从上个世纪八十年代第一代闪存产品问世以来，在各类可移动的消费电子产品中得到了广泛的应用。

当前应用比较多的快闪存储器有浮栅型闪存(Floating Gate Flash Memory)和分离陷阱型闪存(Discrete Trap Flash Memory)两类。前者的存储电荷在多晶硅浮栅中是连续分布的，而后者是利用电荷存储层(氮化硅)中的分离陷阱来存储电荷的。快闪存储器的具体结构如图1所示，在源、漏之间沟道之上依次叠加遂穿氧化层、多晶硅浮栅(对应于浮栅型闪存)或氮化硅陷阱层(对应于分离陷阱型闪存)、阻挡氧化层和控制栅。这两种快闪存储技术分别利用在浮栅上存储电荷(对应于浮栅型闪存)和氮化硅陷阱层俘获电荷(对应于分离陷阱型闪存)来使阈值发生相应的变化，实现信息的存储。

近来随着研究的深入，快闪存储器也有了新的技术---通过调整加在控制栅或漏端上的编程电压的大小、时间等因素来控制注入到浮栅的电荷数量(对应于浮栅型闪存)或通过源漏互换来控制电荷在氮化硅层中的俘获位置(对应于分离陷阱型闪存)等来实现多位存储，参见文献①A 98mm² die size 3.3-V 64-Mb flash memory with FN-NOR type four-level cell，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL.3 1，NO.11，1584-1589，NOVEMBOER1996；②Two-bit SONOS type Flash using a band engineering in the nitride layer，Microelectronic Engineering 80(2005)，256-259。

另一方面，阻变随机存取存储器(resistive random access memory，RRAM)作为一种新的存储方案，以其结构简单等优点近来也成为人们的研究热点。具体而言这种存储方案是利用在外界电压激励下，阻变材料(resistive switching material)的电阻发生相应变化，以其电阻值的高低来区分存储状态的一种方法。针对不同的材料制成的RRAM有单、双极之分，也就是使得电阻值由高变低和由低变高所施加的电压极性可以是相同的也可以是相反的。从最开始一位RRAM(即两个阻值状态)到近来的多位RRAM(即多个存储状态)的出现，这种存储方案最近也备受关注，参见文献③Multi-level operation of fully compatibleWOx resistive random access memory(RRAM)，Memory Workshop，2009.IMW ′09.IEEEInternational，1-2。

发明内容

本发明在当前研究的基础之上，针对消费电子类产品对高密度非挥发性半导体存储器件的巨大需求，提出了以快闪存储单元为基本架构，融入了阻变材料的一种多位非挥发性半导体存储器。该存储器与当前的主流闪存制备工艺兼容性较好，并且在很大程度上提高了单位面积上的存储密度。

本发明的技术方案如下：

一种多位快闪存储器，包括衬底、源端和漏端，以及依次层叠在沟道之上的遂穿氧化层、多晶硅浮栅(对应于浮栅型闪存)或氮化硅陷阱层(对应于分离陷阱型闪存)、阻挡氧化层，其特征在于，在阻挡氧化层上依次层叠金属下电极、阻变材料层和金属上电极。

从原理上讲，具有变阻特性的材料(如钙钛矿氧化物、固态电解质、有机物等)都可用于本发明的阻变材料层，但为了与当前主流半导体工艺相兼容，阻变材料宜选取具有阻变特性的金属氧化物，如氧化铝、氧化钛、氧化钨、氧化镍、氧化锌、氧化铪等。阻变材料层的厚度通常以10nm-300nm为宜，优选为10nm-200nm。

上述金属下电极与金属上电极的选取除了要选可以与阻变材料一起形成功能结构外，还要兼顾与当前主流半导体工艺的兼容性。