專利名稱：具有隧道勢壘的存儲器以及用于寫入和讀取該存儲器中的信息的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種存儲器以及一種用于寫入和讀取存儲器中的信息的方法。
技術背景
常規(guī)的動態(tài)工作存儲器(DRAM)的小型化遇到了極限。信息以電荷形式被存儲，這 些電荷隨著存儲器單元的尺寸的減小而變得越來越小。如果1位由大約100 - 1000個以 下的基本電荷來表示，則在技術上不再能夠可靠地區(qū)分0與1這兩個狀態(tài)。
因此，當前對電阻性存儲器(RRAM)進行研究，其中信息通過存儲器材料的電阻改 變被寫入到電阻性存儲器中。該存儲器有望獲得比DRAM明顯更高的數(shù)據(jù)密度，并且提供 還代替大容量存儲器的通用存儲器的前景，因為該存儲器原則上也可以被構(gòu)造成非易失性 的。雜志Nature Materials (卷6，第12期(2008))給出關于該研究的當前狀態(tài)的概況。
不利的是，迄今為止公知的電阻性存儲器在其電阻值方面嚴重地發(fā)散，并且其制 造僅能困難地再現(xiàn)。因此，盡管該技術從20世紀60年代起就已經(jīng)被公知和討論，但是該技 術迄今為止仍然不能被商業(yè)化。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務是提供一種電阻性存儲器，其中電阻值較小程度地發(fā)散，并且 該電阻性存儲器的制造比根據(jù)現(xiàn)有技術的電阻性存儲器更具可再現(xiàn)性。
根據(jù)本發(fā)明，該任務通過根據(jù)獨立權利要求的存儲器以及根據(jù)并列獨立權利要求 的方法來解決。其它的有利擴展方案分別從對其進行引用的從屬權利要求中得出。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)已開發(fā)出一種用于信息的存儲器。該存儲器包括隧道勢壘和用 于引導電流通過該隧道勢壘的電接觸裝置。
根據(jù)本發(fā)明，隧道勢壘與具有存儲器特性的存儲器材料接觸。該存儲器特性可以 由寫信號來改變。由于與隧道勢壘的接觸，存儲器特性的改變導致隧道電阻對于流經(jīng)隧道 勢壘的電流的改變。
由存儲器材料以改變其存儲器特性的方式進行響應的寫信號例如可以是所提供 的電壓或所提供的電流。但是該寫信號例如也可以以通過用光、例如激光照射來進行光學 激勵的方式或者以溫度提高的方式存在。
基于寫信號的存儲器特性的改變有利地為可逆的，從而該存儲器可以用作工作存 儲器(RAM)或者大容量存儲器。如果該改變是不可逆的，則該存儲器可以用作只讀存儲器 (ROM)、可一次性寫入存儲器(PROM)或者可編程邏輯陣列(PLA)。
術語“接觸”不限于如下布置在所述布置中，隧道勢壘和存儲器材料是彼此可區(qū) 分的相互鄰接的層。接觸例如也可以在存儲器材料以隧道勢壘中的封入物的形式存在時存在。
已經(jīng)認識到，本發(fā)明存儲器與根據(jù)現(xiàn)有技術的電阻式存儲器相比更具可再現(xiàn)性，并且可以利用電阻值的更小的相對發(fā)散來制造。
對此的解釋是，與根據(jù)現(xiàn)有技術的經(jīng)典電阻式存儲器不同，根據(jù)本發(fā)明利用量子 力學的隧道電阻。該隧道電阻與隧道勢壘的有效厚度、隧道勢壘的界面處的電荷密度和能 帶結(jié)構(gòu)、以及隧穿電子的有效質(zhì)量成指數(shù)關系。已經(jīng)認識到，通過存儲器層的存儲器特性的 小的以及由此可以以明確定義的方式被實現(xiàn)的改變，可以在與經(jīng)典的電阻式存儲器中可能 的動態(tài)范圍相比大得多的動態(tài)范圍內(nèi)改變隧道電阻。由于該動態(tài)范圍，制造過程中不可避 免的波動被減弱成電阻值的與迄今為止根據(jù)現(xiàn)有技術所能實現(xiàn)的相對發(fā)散相比小得多的 相對發(fā)散。因此，滿足了對存儲器提出的重要要求所述存儲器應當以由大量標稱相同的存 儲器單元構(gòu)成的陣列形式被使用。
首先，制造的可再現(xiàn)性通過如下方式被提高不必對構(gòu)造和可再現(xiàn)的制造已經(jīng)在 技術上經(jīng)過優(yōu)化的隧道勢壘本身進行改變。例如可以用存儲器材料占據(jù)市售的隧道勢壘或 者通過其它方式使市售的隧道勢壘與該存儲器材料接觸，以便制造本發(fā)明存儲器。
在本發(fā)明的特別有利的擴展方案中，存儲器材料具有如下存儲器特性該存儲器 特性的改變導致隧道勢壘中導帶水平的改變。這例如可以利用如下的存儲器材料來實現(xiàn) 在所述存儲器材料中，離子的位置可以作為存儲器特性通過施加作為寫信號的電壓(以及 由此施加電場)來改變。在此，與隧道勢壘中的離子相比，存儲器材料中的離子將能夠通過 更小的電壓從其晶格位置中移出。由于隧道電阻與處于存儲器材料與隧道勢壘之間的界面 處的由離子造成的電荷密度和電場強度成指數(shù)關系，因此為了對隧道電阻造成大的改變， 離子僅須運動非常短的路程(幾納米)；對此相對應地，存儲器材料可以被構(gòu)造成非常薄的 層(0.5 nm至20 nm之間)。存儲器材料可以有利地被構(gòu)造成基質(zhì)材料，由此離子可以在其 中運動。
隧道勢壘的與隧道電阻成指數(shù)關系的有效高度是隧道勢壘與同其鄰接的材料之 間的逸出功的函數(shù)。該逸出功由隧道勢壘與鄰接的材料之間的費米能級差來確定。該差以 及由此隧道電阻可以通過提供或去除隧道勢壘與存儲器材料之間的界面處的離子而被改 變。對此，勢壘高度被改變，并且因此隧道電流也被改變。隧道高度基本上由界面處的電子 特性(能帶結(jié)構(gòu))來確定。離子在界面處的存在或不存在與材料特性的改變以及由此與勢 壘高度的改變意義相同。通過在存儲器材料的界面處提供離子，該存儲器材料的能帶結(jié)構(gòu) 局部地在該界面處被改變。隧道勢壘和存儲器材料的能帶結(jié)構(gòu)又局部地在該界面處彼此均
與迄今為止為了將信息寫入具有微米數(shù)量級厚度的電阻式存儲器所需的電場相 比，作為這樣的在幾納米范圍內(nèi)的運動的推動力，微弱得多的電場就足夠了，并且該寫入可 以由于短的路程而迅速完成。由于存儲器材料中的離子可以以m/s數(shù)量級的速度運動，因 此在10 ns或更短的時長內(nèi)、優(yōu)選地在5 ns或更短的時長內(nèi)提供電場就已經(jīng)有利地足夠 了。而常規(guī)的閃存或電阻式存儲器中的寫入需要PS至ms數(shù)量級的時間。
優(yōu)選地，在存儲器材料兩端提供0. IV至3V之間的寫電壓就足夠了。在寫入到迄 今為止的電阻式存儲器中時，通常需要IOV或更高的電壓。此外通過所需的更小的寫電壓， 可以改變離子沿著存儲器材料與隧道勢壘之間的整個界面的位置。
如果存儲器材料被提供為使得所述改變是可逆的，則與根據(jù)現(xiàn)有技術的電阻式存 儲器相比可以實現(xiàn)顯著更多的開關周期。在將信息寫入到電阻式存儲器中時所需的高的寫電壓導致，活性材料沿著幾個溝道被電擊穿，并且在此該活性材料特性被改變。在材料中的 何處形成這些溝道是既不可預見也不可控制的。因此在擦除電阻式存儲器時，這些改變不 再能夠被完全取消。材料不可逆地退化，這限制了可能的寫周期的次數(shù)，并且使得針對逐漸 失效的存儲單元需要高成本的缺陷管理。
存儲器材料有利地包括固體電解質(zhì)(離子導體)。這是一種在相應的應用實例中存 在的溫度和電場情況下在固體中傳導離子的材料。該離子傳導性總是與固體內(nèi)的質(zhì)量傳輸 相聯(lián)系。
不僅每種材料的離子傳導性、而且隧道勢壘的物理特性也是與溫度有關的，但是 其中離子傳導性的溫度相關性通常占優(yōu)勢。對技術人員提出的任務是，針對預先給定的使 用溫度實現(xiàn)存儲器。因此，例如在太空中使用的情況下，溫度非常低，而在電機或燃料電池 中或電機或燃料電池上使用的情況下，溫度非常高。由于由不同材料構(gòu)成的隧道勢壘的溫 度特性以及離子導體的溫度特性都被充分地研究和記錄，因此可以對在所期望的使用溫度 下能夠運行的隧道勢壘和離子導體的組合進行預選。利用隧道勢壘和離子導體必需彼此兼 容這一附加的邊界條件，針對具體的應用實例而言僅僅還剩下幾個可能的組合，這些組合 可以由技術人員在合理數(shù)目的試驗中進行測試。在此，運行能力將不是是-否特性，而是程 度特性，使得技術人員可以將對失敗的分析用作為用于實現(xiàn)成功的附加輔助手段。
針對室溫下的使用，例如可以將諸如A&S、AgS、Ag2O, Ag2Se, Ag、GeSbSe、CuO2或 Pb4Cu17Cl13的材料用作固體電解質(zhì)。這些材料與例如由Si02、(iaN、Al203、Mg0、SrTi0dn Si3N4 構(gòu)成的常見隧道勢壘兼容。應當特別強調(diào)的是Ag2O與Si3N4以及AgGeSbk與Si3N4或SW2 的特別好的兼容性。
存儲器材料到隧道勢壘以及到電接觸裝置的界面有利地為惰性的。也就是說，沒 有離子穿過所述界面，并且不發(fā)生存儲器材料與鄰接材料的化學反應。這樣的惰性界面例 如可以通過由隧道勢壘和存儲器材料構(gòu)成的材料組合來實現(xiàn)，其中隧道勢壘基本上不具有 對于存儲器材料中的離子來說不能到達的缺陷。例如，所述材料可以被彼此協(xié)調(diào)為使得隧 道勢壘中的缺陷比存儲器材料中的離子半徑更小。但是所述界面也可以通過其它方式被構(gòu) 造成對于存儲器材料中的離子的擴散勢壘和/或遷移勢壘。電位比和缺陷密度應當被提供 為使得離子既不能由于熱效應也不能由于電場而侵入到隧道勢壘中。
隧道勢壘有利地包括非晶材料。在非晶材料中，缺陷僅僅局部地產(chǎn)生影響；由于不 存在有規(guī)律的晶格，因此對于離子而言不存在沿著晶格軸的移動性。因此，來自存儲器材料 的離子如果有的話也僅能困難地從非晶材料中侵入隧道勢壘中。
不含氧的氮化物或其它化合物是化學上非常穩(wěn)定的，并且因此良好地適合作為與 許多離子導體兼容的隧道勢壘的材料。
在本發(fā)明的另一特別有利的擴展方案中，存儲器材料包括另一隧道勢壘，該隧道 勢壘的隧道電阻可以作為存儲器特性通過寫信號而被改變。這例如可以通過該另一隧道勢 壘中的能夠通過寫信號被移動的金屬層來實現(xiàn)。已經(jīng)認識到，通過寫信號促成的所述存儲 器特性的改變也對隧道電阻具有指數(shù)性的影響例如如果兩個隧道勢壘彼此鄰接并且因此 形成大的隧道勢壘，則可通過作為寫信號的電場被移動的金屬層確定該總勢壘到兩個部分 勢壘的空間分割。由于隧道電阻與有效的勢壘厚度成指數(shù)關系，因此隧道電阻在總勢壘被 金屬層恰好分成兩半時最小。而當金屬層與電接觸裝置鄰接并且因此每個隧穿電子都必需穿過作為一體的總勢壘的長度，則隧道電阻升高若干數(shù)量級。在這兩種極端情況之間存在 的情況是，金屬層僅僅移動幾納米，其中利用與迄今為止的電阻式存儲器所使用的寫電場 相比，微弱的電場就已經(jīng)可以快速和可逆地進行所述移動。隧道勢壘通常厚度在0.2 nm至 10 nm之間。
存儲器材料的存儲器特性應當被提供為使得該存儲器特性在去掉寫信號以后仍 然保持至少100 ns穩(wěn)定。為了該存儲器能夠與當今的動態(tài)RAM (DRAM)類似地被用作有規(guī) 律地被更新的易失性存儲器，該時間已經(jīng)足夠。DRAM通常以1 ms的間隔被更新。如果存儲 器特性在較長的時間(5000小時，優(yōu)選50000小時)內(nèi)穩(wěn)定，則該存儲器也可以用作非易失 性存儲器。那樣的話，該存儲器可以充當通用存儲器，該通用存儲器可以代替迄今為止的工 作存儲器以及迄今為止的大容量存儲器。
存儲器材料有利地具有雙穩(wěn)態(tài)或多穩(wěn)態(tài)的存儲器特性。也就是說，存儲器材料的 存儲器特性可以采取兩個或多個可能的離散狀態(tài)之一。利用雙穩(wěn)態(tài)存儲器特性，可以存儲 兩個二進制邏輯狀態(tài)0和1?？赡艿臓顟B(tài)越多，則每存儲器單元的信息密度就越大。因此， 在8 = 23個可能狀態(tài)的情況下，就已經(jīng)可以在一個存儲器單元中存儲3個位。但是狀態(tài)數(shù) 目越大，則相鄰狀態(tài)之間的能量間隔就越小。因此，由于存儲器的老化或者由于環(huán)形影響， 從一個狀態(tài)“翻轉(zhuǎn)”到相鄰狀態(tài)的風險升高。
但是不是對于所有的應用都需要存儲器特性是雙穩(wěn)態(tài)或多穩(wěn)態(tài)的。如果存儲器特 性可以作為寫信號強度的函數(shù)連續(xù)改變，則例如由此可以將用于繼續(xù)處理的測量值暫存在 模擬電路中，而不會由于在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的離散化而出現(xiàn)信息損失。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，已經(jīng)開發(fā)出用于將信息存儲在具有隧道勢壘的存儲器中以及 用于讀取所存儲的信息的方法。該方法的特征在于，為了存儲信息，隧道勢壘中的導帶邊緣 的水平和/或隧道勢壘到多個部分勢壘的空間分割被改變。為了讀取信息，對作為穿過隧 道勢壘的隧穿概率的度量的測量參數(shù)、例如隧道電流進行測量。
已經(jīng)認識到，在改變導帶邊緣的水平時以及在改變隧道勢壘到多個部分勢壘的空 間分割時，由承載信息的寫信號促成的小的干預對隧道電阻造成大的滲透，因為該干預與 有效的勢壘厚度以及與導帶邊緣的水平成指數(shù)關系。這些小的干預可以以適當定量的方式 進行。此外更簡單的是，無殘留地再次消除由小的干預造成的改變并且因此不斷地存儲新 的信息。對隧道電阻的大的滲透并且由此對所測量的隧穿概率的大的滲透又導致在讀取信 息時的非常好的信噪比。尤其是與通過信息存儲造成的大的隧穿概率的改變相比，多個標 稱相同的存儲器單元之間的由制造造成的差異仍然只起到微弱的影響，使得在由許多存儲 器單元構(gòu)成的陣列中，可以將一定公差范圍內(nèi)的單元視為等同的。
隧道勢壘中的導帶邊緣的水平有利地通過改變在隧道勢壘的邊界處所提供的電 場來改變。該電場例如可以是離子場，這些離子被提供在隧道勢壘的界面處或者被從隧道 勢壘撤回。在此，離子例如可以被束縛在與隧道勢壘鄰接的存儲器層中，使得這些離子在施 加相反的寫信號時才再次離開其在存儲信息時所占據(jù)的位置。
在本發(fā)明的特別有利的擴展方案中，存儲器被實施為利用寫電流來存儲信息以及 利用讀電流來讀取信息，其中寫電流大于讀電流。那樣的話，可以利用相同的控制電路來進 行存儲以及讀取，其中僅須在一個位置處改變電流。
具體實施方式
下面根據(jù)附圖具體闡述本發(fā)明的主題，但是本發(fā)明的主題不受這些附圖限制。


圖1示出本發(fā)明存儲器的實施方式的示例性構(gòu)造。該存儲器具有隧道勢壘1以及 作為接觸裝置以引導電流通過隧道勢壘1的金屬電極(2a，2b)。隧道勢壘1與存儲器材料 3接觸。該存儲器材料3是電化學活性層，在該層中離子的位置可以通過施加在金屬電極 (2a, 2b)之間的作為寫信號的電壓而被改變。存儲器材料3到隧道勢壘1的界面如以及存 儲器材料3到金屬電極2b的界面4b被構(gòu)造成離子不能穿透的擴散停止部或遷移停止部。
圖2示出本發(fā)明存儲器的經(jīng)過修改的實施方式的示例性構(gòu)造。在此，存儲器材料 3是第二隧道勢壘，其中金屬層3a被嵌入到該隧道勢壘中。該金屬層3a可以作為整體通 過施加在金屬電極(2a，2b)之間的作為寫信號的電壓而向隧道勢壘1的方向或向金屬電極 2b的方向運動。隧道勢壘1和存儲器材料3 —起構(gòu)成單個隧道勢壘，該單個隧道勢壘由兩 個被金屬層3a彼此隔開的部分勢壘構(gòu)成第一部分勢壘從金屬電極加延伸到金屬層3a， 第二部分勢壘從金屬層3a延伸到金屬電極2b。由于每個部分勢壘的隧道電阻與其長度成 指數(shù)關系，因此兩個部分勢壘的串聯(lián)的總電阻在金屬層3a位于存儲器材料3與隧道勢壘1 之間的界面處時最小。而當金屬層3a位于存儲器材料3與金屬電極2b之間的界面處時， 該總電阻最大。
本發(fā)明存儲器的多個單元可以有利地被布置成“交叉陣列(cross — bar array)",以便存儲更大量的信息。這樣的陣列由并行的字線(word line)的布置構(gòu)成，這些 字線通常被布置在襯底上。在字線上優(yōu)選以有規(guī)律的間隔施加本發(fā)明存儲器的單元。在存 儲器單元上又施加有位線(bit line)，這些位線與字線垂直并且將存儲器單元彼此連接。 在給定的字線與給定的位線之間現(xiàn)在存在恰好一個存儲器單元。通過在該字線與該位線之 間施加寫電壓，可以將信息寫入該存儲器單元。通過查詢該字線與該位線之間的電阻，可以 從該存儲器單元中讀取信息。
權利要求
1.一種用于信息的存儲器，所述存儲器包括隧道勢壘和用于引導電流通過隧道勢壘 的電接觸裝置，其特征在于，隧道勢壘與具有存儲器特性的存儲器材料接觸，所述存儲器特性能夠通過寫信號被改 變，其中存儲器特性的改變導致隧道電阻對于流經(jīng)隧道勢壘的電流的改變。
2.根據(jù)權利要求1所述的存儲器， 其特征在于，存儲器材料具有如下存儲器特性所述存儲器特性的改變導致隧道勢壘中的導帶水平 的改變。
3.根據(jù)權利要求2所述的存儲器， 其特征在于，在存儲器材料中，離子的位置能夠作為存儲器特性通過寫信號被改變。
4.根據(jù)權利要求3所述的存儲器， 其特征在于，存儲器材料包括固體電解質(zhì)。
5.根據(jù)權利要求1至4之一所述的存儲器， 其特征在于，存儲器材料到隧道勢壘以及到電接觸裝置的界面為惰性的。
6.根據(jù)權利要求1至5之一所述的存儲器， 其特征在于，隧道勢壘包括非晶材料。
7.根據(jù)權利要求1所述的存儲器， 其特征在于，存儲器材料包括另一隧道勢壘，所述另一隧道勢壘的隧道電阻能夠作為存儲器特性通 過寫信號而被改變。
8.根據(jù)權利要求7所述的存儲器，其特征在于所述另一隧道勢壘中的能夠通過寫信 號被移動的金屬層。
9.根據(jù)權利要求1至8之一所述的存儲器， 其特征在于，存儲器材料的存儲器特性被提供為使得在去掉寫信號之后所述存儲器特性仍然保持 至少100 ns穩(wěn)定。
10.根據(jù)權利要求1至9之一所述的存儲器， 其特征在于，存儲器材料具有雙穩(wěn)態(tài)或多穩(wěn)態(tài)的存儲器特性。
11.一種用于將信息存儲在包括隧道勢壘的存儲器中以及用于讀取所存儲的信息的 方法，其特征在于，為了存儲信息，隧道勢壘中的導帶邊緣的水平和/或隧道勢壘到多個部分勢壘的空間 分割被改變，以及為了讀取信息，對作為穿過隧道勢壘的隧穿概率的度量的測量參數(shù)進行測量。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法， 其特征在于，隧道勢壘中的導帶邊緣的水平通過改變在隧道勢壘的邊界處所提供的電場來改變。
13.根據(jù)權利要求11至12之一所述的方法， 其特征在于，存儲器被實施為利用寫電流來存儲信息并且利用讀電流來讀取信息，其中所述寫電流 大于所述讀電流。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括隧道勢壘的電阻式存儲器。隧道勢壘與具有能夠通過寫信號被改變的存儲器特性的存儲器材料接觸。存儲器特性的改變由于隧道電阻與隧道勢壘的參數(shù)的指數(shù)關系而給隧道電阻造成強烈滲透，由此可以讀取存儲在該存儲器材料中的信息。適于作為存儲器層的例如是固體電解質(zhì)(離子導體)，其離子可以通過寫信號相對于與隧道勢壘之間的界面運動。但是該存儲器層例如也可以是另一隧道勢壘，其隧道電阻可以通過寫信號例如通過移動存在于該隧道勢壘中的金屬層而被改變。本發(fā)明還提供一種用于存儲和讀取該存儲器中的信息的方法。
文檔編號G11C16/02GK102037517SQ200980117845
公開日2011年4月27日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權日2008年5月17日
發(fā)明者科爾斯泰特 H. 申請人:于利奇研究中心有限公司