用于存储信息的微电子器件及其方法技术

构成本发明专利技术基础的基本发现在于多种氧化物物质，即用于微电子和电子电路的材料，特别是结合了电阻转换现象和内建存储器的半导体芯片。多种物质中的一个较好的物质是Ｂａ＃－［ｘ］Ｓｒ＃－［１－ｘ］ＴｉＯ＃－［３］，０≤ｘ≤０．７，掺杂了铬０％－５％，０％－１％更好，最好是大约０．２％。当所述物质用于例如电容器状结构的介电层时，随着施加的电压脉冲，它保持高或低导电率状态。通过不同的电阻值，即通过将高阻态与逻辑“０”相结合，将低阻态与逻辑“１”相结合，能够存储数字信息。这样存储的信息通过测量漏电流可以被读出，甚至可以实现多值转换。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
1.专利技术背景1.1专利技术的领域本专利技术涉及电子和微电子器件，特别是涉及显示转换现象的多种材料和机内的存储器，利用这些材料和存储器，可以实现半导体芯片存储单元中信息的存储和读取以及对电子和微电子器件的多个重要改进。1.2现有技术及其缺点尽管本专利技术可用于各种微电子或电子装置中，但下面将要集中描述应用于存储单元，例如RAM(随机存取存储器)的情况。在半导体器件的制造中，需要保持价格和性能的竞争力，这就使得集成电路中器件密度持续增加。为了促进器件密度的增加，不断需要新的技术来减小这些半导体器件的外观尺寸。传统的DRAM单元包含晶体管和主要由二氧化硅(SiO2)构成的电容器，其中DRAM代表动态随机存取存储器。由于用于存储信息而采用的物理量的缘故，它们需要晶体管来控制存储在电容器中的电荷的流入和流出。所述晶体管还消除了电容器之间的相互影响。这样的DRAM单元具有下列缺点存储在其内的信息是易失的，并且主要是在每次电源供电失败时丢失信息，另外，刷新包含在DRAM单元中的信息所需要的时间限定了该单元的读和写的性能。最后，由于需要晶体管，这样的DRAM单元的结构是非常复杂的。这样，希望在超出传统DRAM技术的计算机RAM技术中有所变化。尽管存储器单元的结构仍然复杂，但由于每次电源供电失效时信息不丢失，铁电非易失RAM(NVRAM)单元的应用已经向前迈出了一大步。在这样的铁电RAMs中，采用位存储层的极化代替DRAM单元中的电容器容量，用于确定与两个不同的逻辑值相关的两个不同的状态。然而，在剩余极化的两个不同态之间长期反复的转换，会使材料例如钛酸锆铅(PZT)的铁电性能疲劳。在1998年7月的Physics Today第24页中还提出了一种高介电常数材料和相应的半导体制造技术，这项技术使计算机工业可以利用传统的DRAM制造设备，而不必进行基本的设备改造。这就是所谓的高介电常数DRAM技术。这里，由于高介电常数层的极化随着施加的电压线性变化，当给DRAM电容器充电时，可以像传统的DRAM技术一样用电容器的电荷来存储信息。由于电容器的电容量与面积和介电常数值成正比，用介电常数εr大约为500的高介电常数材料例如钛酸锶钡(BST)代替介电常数εr大约为4的二氧化硅，可以减小电容器所占用的空间。结果与传统的用于DRAM单元的氧化硅材料相比，可以得到更高的集成度，在传统的DRAM单元中，电容器的面积消耗大于耦合的晶体管的面积。尽管如此，遗留的缺点是漏电流仍然很大。这样，必须进行刷新。对六十种氧化物二极管和氧化物薄膜的调查揭示了几种现象。例如J.F.Gibbons和W.E.Beadle在Pergamon出版社1964年出版的“固态电子”第7卷第785-797页他们的论文“NiO薄膜的转换性能”中，发表了关于由氧化镍制成的两端固态开关。在大约100-1000个转换周期之后，用正常的转换信号幅度，该器件不能从开的状态转换。对氧化物二极管进行的其它测试发现，通过施加高电压可引起转换动作。这些二极管在几个周期之后毁坏，变得不能用。T.W.Hickmott在“应用物理通讯”第6卷第6期第106页和在“真空科学与技术”杂志第6卷第5期第828页上报道了关于氧化铌二极管中的双稳态开关。他强调金属电极起着重要的作用。总之，所测试的器件和材料显示它们都难于控制或不可靠。在美国专利No.4,931,763中，描述了基于金属氧化物薄膜的存储器开关。该存储器开关是单向的，因此只转换一次。可以用它作为电路和阵列中的连接元件而不能用于存储变化的信息。最后，由于更小的电容器尺寸，随着集成度增加到接近和超过1兆位的芯片，存储单元的晶体管的面积消耗不能再忽略。这样，尽可能简化存储单元的结构是迈向超大规模集成电路(ULSI)的重大的一步。1.3专利技术的目的因此，本专利技术的目的是提供一种具有简单耐用的结构、可靠和非易失的存储单元。本专利技术的另一个目的是提供一种将信息稳定地存储到这种存储单元中的新的更简单的方法，可以重复进行擦和读的操作。本专利技术的再一个目的是提供一种简单结构的非易失存储单元，该存储单元能够存储两个以上不同值，即可用于多级存储。2.专利技术的概述及优点通过独立权利要求中描述的特征可以实现本专利技术的这些目的。本专利技术的其它优点和实施例在各个从属权利要求中给出。构成本专利技术基础的最基本的发现在于包含钙钛矿的多种掺杂的氧化物物质和相关化合物，即用于微电子器件和电子电路中的材料，特别是用于结合有电阻呈现转换现象的和内置的存储器的半导体芯片中的材料。可以设计微电子器件，使得它包括电极之间的区域，该区域具有可转换的欧姆电阻，其中该区域由包括成分Ax、By和氧Oz的物质制成。通过施加不同的电压脉冲，上述区域中的欧姆电阻可以在两个不同态之间互逆转换。不同的电压脉冲产生相应的不同态。物质中适量的掺杂物提高了转换性能，从而使微电子器件变得可以控制和可靠。一般说，与权利要求的用词相一致，物质是指包含成分Ax、By和氧Oz的物质，在该物质中，所述成分A是碱金属(元素周期表中IA族)元素、或碱土金属(IIA族)元素、或稀土元素、或钪元素、或钇元素，所述成分B是IB族到VIII族之一中的过渡金属元素、或IIIA、IVA、VA族之一中的元素，并且该物质具有晶体结构。通常，相应的晶格结构的单位晶格包括被多个氧分子围绕的晶格中心分子，每个氧分子本身又具有中心分子。两种类型的所述中心位置可以分别主要由成分A或成分B占据。换句话说，有多种物质，即从化学方面来看，其中的A和B可以适当地变化它们的位置。鉴于大量不同的可用物质，应当强调对上面给出的基本分子式的理解，以保证所要求的范围，保证所附加的权利要求的清楚和简明。所述物质包括一些具体掺杂量范围的掺杂物，所述掺杂物为铬、钒、锰或过渡金属之一或其结合。特别地，任何包括成分Ax、By和氧Oz的物质都是能够解决构成本专利技术基础问题的物质，在所述物质中，所述A是碱金属(IA族)元素、或碱土金属(IIA族)元素、或稀土元素、或钪元素、或钇元素，所述成分B是IB族到VIII族之一中的过渡金属元素、或IIIA、IVA、VA族之一中的元素，当用过渡金属之一或其结合的掺杂物进行掺杂，特别是但不仅仅用铬、钒或锰进行掺杂时，总的掺杂量大于0％小于5％，当只用铬掺杂(BaSr)TiO3时，总掺杂量最好大约0.2％。对于所用的每种掺杂物元素和要掺杂的物质，其它的最佳掺杂量是特定的。找出掺杂物的合适量，就可以提供使微电子器件例如存储器单元工作所需要的稳定的转换性能。与用传统的动态存储器达到的时间比类似，可以实现快速的写、读和擦操作。通过下标x、y、z的组合来满足一些附加的具体要求，以便找出适合于本构思的物质。下面的每一项都限定了一小类显示出具有所需要的转换效果的物质。由x＝n+2、y＝n+1、z＝3n+4，n＝0、1、2、3限定的下标x、y和z的组合展现了所谓的Ruddlesden Popper相，例如Sr2RuO4(xyz-下标序列为214)或Sr3Ru2O7(xyz＝327)等。n＝0时如上所限定的下标组合中包含独立的一类物质，该类为尖晶石结构，例如Mg2TiO4(214)、Cr2MgO4，其中A和B位置互换，即最初由y标记的B阳离子位于由x标记的位置上，A阳离子位于由y标记的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微电子器件，在电极（１２，１６）之间的区（１４）具有可转换的欧姆电阻，其中通过施加能产生不同态（１，２，３，４）的不同的电压脉冲（５，５．１，６，６．１，７，８），在所述区（１４）中的欧姆电阻在所述不同的态（１，２，３，４）之间可逆的转换，所述区（１４）由包括成分Ａ↓［ｘ］、Ｂ↓［ｙ］和氧Ｏ↓［ｚ］的物质形成，在该物质中，所述成分Ａ是碱金属（ⅠＡ族）元素，或碱土金属（ⅡＡ族）元素、或稀土元素、或钪、或钇，所述成分Ｂ是过渡金属，该过渡金属是ⅠＢ族至Ⅷ族之一的元素，或ⅢＡ族、ⅣＡ族、ⅤＡ族之一的元素，所述物质包括过渡金属之一或其结合的掺杂物，总的掺杂量大于０％小于５％。

【技术特征摘要】
WO 1999-2-17 PCT/IB99/002831.一种微电子器件，在电极(12，16)之间的区(14)具有可转换的欧姆电阻，其中通过施加能产生不同态(1，2，3，4)的不同的电压脉冲(5，5.1，6，6.1，7，8)，在所述区(14)中的欧姆电阻在所述不同的态(1，2，3，4)之间可逆的转换，所述区(14)由包括成分Ax、By和氧Oz的物质形成，在该物质中，所述成分A是碱金属(IA族)元素，或碱土金属(IIA族)元素、或稀土元素、或钪、或钇，所述成分B是过渡金属，该过渡金属是IB族至VIII族之一的元素，或IIIA族、IVA族、VA族之一的元素，所述物质包括过渡金属之一或其结合的掺杂物，总的掺杂量大于0％小于5％。2.根据权利要求1的微电子器件，其中通过在电极(12，16)上施加用于从所述第二态(2)转换到所述第一态(1)的不同电压脉冲的第一电压脉冲(5.1)，或者施加用于从所述第一态(1)转换到第二态(2)的不同电压脉冲的第二电压脉冲，使得区(14)的欧姆电阻至少在不同态的第一态(1)和不同态的第二态(2)之间可以转换。3.根据权利要求2的微电子器件，其中处于第一态(1)的欧姆电阻比处于第二态(2)的欧姆电阻高，用于转换到所述第一态(1)的不同电压脉冲的第一电压脉冲(5.1)具有与用于转换到所述第二态(2)的不同电压脉冲的第二脉冲(6.1)相反的正负号。4.根据权利要求1的微电子器件，其中通过用于将区(14)的欧姆电阻转换到不同态的高阻态(1)的擦除脉冲(5)和/或用于从不同态的所述高阻态(1)转换到更低的欧姆态(2，3，4)的至少一个写脉冲(6，7，8)，可以得到每个不同的态(1，2，3，4)。5.根据权利要求4的微电子器件，其中擦除脉冲(5)具有用于转换到更低的欧姆态(2，3，4)之一的不同的幅度。6.根据权利要求1-4中任一个的微电子器件，其中通过读电压(9)，不同态(1，2，3，4)是可读的，该读电压(9)的幅值比用于转换到不同态(1，2，3，4)而施加的不同电压脉冲(5，5.1，6，6.1，7，8)的幅值小。7.根据权利要求1的微电子器件，可采用电容器状结构，其中区(14)相当于介质。8.根据权利要求1的微电子器件，在产生具体欧姆电阻的不同电压脉冲(5，5.1，6，6.1，7，8)之一已经施加到电极(12，16)之后，与不同态(1，2，3，4)之一相关的区(14)的所述具体的欧姆电阻继续保持。9.根据前述权利要求之一的微电子器件，该器件能够存储数字信息，该数字信息可通过区14的欧姆电阻的不同值来表现，从而象数字信息一样，存储两位以上。10.根据权利要求1的微电子器件，其中物质的下标x、y和z的组合可限定为x＝n+2，y＝n+1，z＝3n+4，n＝0，1，2，3；或x＝n+1，y＝n+1，z＝3n+5，n＝1，2，3，4。11.根据权利要求1的微电子器件，其中物质的下标x、y和z的组合可限定为x＝1，y＝1，z＝1，下标x或y之一为零；或x＝n，y＝n，z＝n+1，n＝1或2，下标x或y之一为零；或x＝n，y＝n，z＝2n+1，n＝2，下标x或y之一为零。12.根据权利要求1的微电子器件，其中物质的下标x、y和z的组合可限定为x＝n，y＝n，z＝3n，n＝1或2或3；或x＝n+1，y＝n，z＝4n+1，...

【专利技术属性】
技术研发人员：A贝克，JG贝德诺兹，C格伯，CP罗瑟尔，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]