CN1828962A - 具有用于控制转换窗的电阻器部件的电阻式存储器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有用于控制转换窗的电阻器部件的电阻式存储器件。本发明的电阻式存储器件能控制转换窗从而确保其操作可靠性。另外，因为该存储器件通过向各种电阻式存储器件仅额外提供用于控制转换窗的电阻器部件来实现，所以它能够容易地制造且应用于所有电流和电压驱动型电阻式器件。

Description

具有用于控制转换窗的电阻器部件的 电阻式存储器件

技术领域

本发明总体涉及具有用于控制转换窗的电阻器部件的电阻式存储器件，更具体地，涉及一种电阻式存储器件，其额外包括用于控制转换窗的电阻器部件，因此确保足够大的转换窗，产生优良的操作可靠性。

背景技术

通常，大量的电子存储器件包括双稳元件从而在施加电压时导致从高电阻到低电阻或者从低电阻到高电阻的转换。特别地，作为与电容式存储器件形成对照的概念，电阻式存储器件意味着具有随所施加的电压而变化的电阻且存储与这样的电阻变化对应的数据的存储器。

已知硫族化物(chalcogenide)材料、半导体、以及各类型的氧化物和氮化物具有电阻式存储属性。此外，已发现一些有机材料具有电阻式存储属性。尽管电阻式存储器件因为具有高驱动电压和电流、低耐久性、以及低薄膜处理属性(thin film handling property)而是不利的，但是随着近来材料工程技术的迅速发展，上述问题可以被克服。因此，电阻式存储器件作为非易失性的且具有低能耗和高密度的多位操作存储器而受到关注。电阻式存储器件的示例包括相变RAM、有机存储器、氧化物电阻式RAM等。

这些存储器件之中，有机存储器由包括下电极、上电极和夹在下和上电极之间的有机存储层的存储矩阵(memory matrix)构成，其中形成在上电极与下电极交叉的位置处的单元提供双稳属性。

在电阻式存储器件中，存储单元通常表现两种电阻状态，即低电阻(置位(set))状态和高电阻(复位(reset))状态，其中如果低电阻状态定义为数据“1”且高电阻状态定义为数据“0”，则数据的两种逻辑状态可以存储在存储单元中。这样的两种状态可通过施加电压或电流而转换。这样，两种状态之间电压或电流的差别被称为转换窗(switching window)。

然而，目前，难以确保氧化物电阻式RAM或有机存储器中的转换窗。特别地，有机存储器由于宽驱动电压分布而成为更严重的问题。图1是示出通过应用到有机存储器之后的电压扫描仅测量与置位-复位状态对应的电压而得到的结果的曲线图。从图1可看出，由于宽的驱动电压分布而难以确保转换窗。

在电阻式存储器件中，应充分确保引起置位状态的电压(电流)与引起复位状态的电压(电流)之间的差，从而使器件能可靠地操作。然而，传统电阻式存储器件具有不能保证转换窗的问题，导致器件的操作可靠性降低。

发明内容

因此，本发明充分考虑到现有技术中存在的上述问题，本发明的一目的是提供一种电阻式存储器件，其通过将用于控制转换窗的电阻器部件连接到该存储器件而能控制转换驱动电压和电流。

本发明的另一目的是提供一种电阻式存储器件，其能被用作WORM(一次写入多次读取存储器)型存储器，其具有优良的操作可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供一种电阻式存储器件，其额外地具有连接到该存储器件且用于控制转换窗的电阻器部件。

本发明中，用于控制转换窗的电阻器部件可连接至存储器件的外部或者可以设置在存储器件内。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中：

图1是示出传统电阻式存储器件的转换窗的曲线图；

图2是示出根据本发明第一实施例的电阻式存储器件的示意性横截面图；

图3A至3C是示出根据本发明第二实施例的电阻式存储器件的示意性横截面图；

图4是示出传统电阻式存储器件和本发明的电阻式存储器件的电流-电压(I-V)属性的曲线图；

图5是根据本发明的具有用于控制转换窗的电阻器部件的电阻式存储器件的等效电路图；

图6是示出根据本发明的电阻式存储器件的取决于用于控制转换窗的电阻器部件的电阻的转换电压变化的曲线图；

图7是示出根据本发明的电阻式存储器件的取决于电阻器的电阻的驱动电压变化的曲线图；

图8是示出本发明的电阻式存储器件的转换可重复性的曲线图；以及

图9A和9B是示出本发明的电阻式存储器件的WORM型属性的曲线图。

具体实施方式

下面，将参照附图给出本发明的详细描述。

本发明中，术语“用于控制转换窗的电阻器部件”意味着连接到电阻式存储器件从而分摊电压的部件。用于控制转换窗的电阻器部件的构造在本发明中不特别地局限，可以是传统陶瓷电阻器形式或者可以形成为存储器件中的单层。

本发明的电阻式存储器件的特征在于包括用于存储与电阻变化对应的数据的电阻式存储器件和连接到该存储器件用于控制转换窗的电阻器部件。本发明的电阻式存储器件包括下电极、上电极、以及形成在下和上电极之间的电阻式存储层。在适当的电压施加到存储器件的情况下，电阻式存储层起作用从而引起从低电阻到高电阻或者从高电阻到低电阻的转换。

本发明的连接到存储器件的用于控制转换窗的电阻器部件可以置位在存储器件内或者连接到存储器件的外部。这样，用于控制转换窗的电阻器部件可以形成为各种形式。

图2示出根据本发明第一实施例的电阻式存储器件，其具有连接到存储器件的外部的用于控制转换窗的电阻器部件。由图2显见，根据本发明第一实施例的电阻式存储器件包括下电极10、上电极30、夹在下电极10和上电极30之间的电阻式存储层20、电源部件40、以及串联连接在电源部件40与存储器件之间的用于控制转换窗的电阻器部件50。电源部件40用来通过下和上电极10和30施加偏置电压到电阻式存储层20，使得电阻式存储层20从低电阻(置位)状态转换到高电阻(复位)状态或者从高电阻(复位)状态转换到低电阻(置位)状态。

图3A示出根据本发明第二实施例的电阻式存储器件，其具有设置在其中的用于控制转换窗的电阻器部件。如图3A所示，根据本发明第二实施例的电阻式存储器件包括下电极10、上电极30、夹在下和上电极10和30之间的电阻式存储层20、以及在下电极10上形成为单层的用于控制转换窗的电阻器部件51。

除了图2和3A所示的结构之外，用于控制转换窗的电阻器部件还可以不同地形成。例如，金属线(metal wire)的电阻可用在用于控制转换窗的电阻器部件中。这样，调节用作电阻器部件的金属线的种类、长度、厚度或形状，从而控制转换窗。

图3B和3C示出根据本发明第二实施例的修改的电阻式存储器件。由图3B可见，电阻式存储器件还包括形成在用于控制转换窗的电阻器部件52上的金属层60。在这种情况下，金属层60由选自包括铝、铜、金、银、钛、铂、钨、铟锡氧化物等的组的材料形成，但不限于此。另外，金属层60可利用真空沉积形成到1至100nm的厚度。供选地，如图3C所示，可以以薄金属线的形式设置用于控制转换窗的电阻器部件52。

在本发明中，用于控制转换窗的电阻器部件51和52可由有机半导体材料或者无机半导体材料形成。无机半导体材料选自包括诸如硅(Si)、锗(Ge)、或者碳(C)的本征半导体、非本征半导体、以及化合物半导体的组。非本征半导体通过将适当的掺杂剂添加到本征半导体中而得到，其中掺杂剂的示例包括但不限于诸如B、Al、Ga或In的III族元素或者诸如P、As或Sb的V族元素。

本发明中，化合物半导体的示例包括但不限于诸如砷化镓(GaAs)或磷化镓(GaP)的III-V族化合物、诸如硫化镉(CdS)或碲化锌(ZnTe)的II-VI族化合物、诸如硫化铅(PbS)的IV-VI族化合物、诸如碳化硅(SiC)的IV-IV族化合物、或者诸如InGaAs或CuGaSe₂的三元合金化合物半导体。

有机半导体的示例包括但不限于2-氨基-4，5-二腈基咪唑(AIDCN，2-amino-4，5-imidazoledicarbonitrile)、3-8-(羟基喹啉)铝(Alq₃，tris-8-(hydroxyquinoline)aluminum)、7，7，8，8-四氰基喹啉并二甲烷(TCNQ，7，7，8，8-tetracyanoquinodimethane)、3-氨基-5-羟基吡唑(AHP，3-amino-5-hydroxypyrazole)、聚苯胺(polyaniline)等。另外，可使用导电聚合物或掺杂有导电成分(conducting moiety)的绝缘聚合物。

可用作本发明的用于控制转换窗的电阻器部件的材料的导电聚合物的示例包括但不限于聚乙炔(polyacetylene)、聚苯胺(polyaniline)、聚吡咯(polypyrrole)、聚噻吩(polythiophene)、聚联苯乙炔(polydiphenylacetylene)、聚(叔丁基)联苯乙炔(poly(t-butyl)diphenylacetylene)、聚(三氟甲基)联苯乙炔(poly(trifluoromethyl)diphenylacetylene)、聚(双三氟甲基)乙炔(poly(bistrifluoromethyl)acetylene)、聚(叔丁基联苯)乙炔(poly(t-butyldiphenyl)acetylene)、聚(三甲基硅烷基)联苯乙炔(poly(trimethylsilyl)diphenylacetylene)、聚(咔唑)联苯乙炔(poly(carbazole)diphenylacetylene)、聚联乙炔(polydiacetylene)、聚苯基乙炔(polyphenylacetylene)、聚嘧啶乙炔(polypyridineacetylene)、聚甲氧基苯基乙炔(polymethoxyphenylacetylene)、聚甲基苯基乙炔(polymethylphenylacetylene)、聚(叔丁基)苯基乙炔(poly(t-butyl)phenylacetylene)、聚硝基苯基乙炔(polynitrophenylacetylene)、聚(三氟甲基)苯基乙炔(poly(trifluoromethyl)phenylacetylene)、聚(三甲基硅烷基)苯基乙炔(poly(trimethylsilyl)phenylacetylene)、及其衍生物。

在优选情况下，可使用掺杂有导电成分的绝缘聚合物。绝缘聚合物的示例包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚烯烃(polyolefin)、聚酯(polyester)、聚酰胺(polyamide)、聚酰亚胺(polyimide)、聚氨酯(polyurethane)、聚缩醛(polyacetal)、多晶硅和多磺酸盐(polysulfonate)。掺杂剂的示例包括但不限于咔唑(carbazole)、对苯二甲酸(TPA)、1-联苯-4，4-联胺(1-diphenyl-4，4diamine：TPD)等。

本发明中，在用于控制转换窗的电阻器部件51或52设置在转换器件中的情况下，其可以利用本领域公知的任何薄膜形成工艺来形成，例如旋涂、喷墨印刷、辊至辊涂覆(roll-to-roll coating)、热沉积等。

下电极10和上电极30每个包括选自含有金属、金属合金、金属氮化物、金属氧化物、金属硫化物、碳、导电聚合物、以及有机导体的组的至少一种导电材料。具体地，电极材料的示例包括但不限于铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、钛(Ti)、钨(W)、以及铟锡氧化物(ITO)。

本发明的电阻式存储器件是具有随所施加的电压而变化的电阻的电阻式存储器件，例如有机存储器、氧化物电阻式RAM、或者相变RAM。

根据存储器件的类型，本发明的存储器件的电阻式存储层20可具有不同的结构。例如，在本发明的电阻式存储器件是有机存储器的情况下，电阻式存储层20可以由选自共轭聚合物(conjugated polymer)、各向异性导电材料、有机半导体、以及含有分子内电荷转移络合物(intramolecularcharge-transfer complex)的聚合物的至少一种材料形成。

另外，在本发明的存储器件是相变RAM的情况下，电阻式存储层20可由诸如锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)、砷-锑-碲(As-Sb-Te)、锡-锑-碲(Sn-Sb-Te)、锡-铟-锑-碲(Sn-In-Sb-Te)、砷-锗-锑-碲(As-Ge-Sb-Te)、铌-锑-碲(Nb-Sb-Te)、钨-锑-碲(W-Sb-Te)等的硫族化物材料形成。

下面，描述本发明的电阻式存储器件的操作。图4示出了不具有用于控制转换窗的电阻器部件的传统电阻式存储器件(r_ext＝0)和本发明的电阻式存储器件(R_ext＝100Ω)的电流-电压曲线(I-V曲线)。

参照图4可以看出，电阻式存储器件具有低电阻的置位状态和高电阻的复位状态。高电阻状态对应于逻辑“0”，低电阻状态对应于逻辑“1”。即使当不施加电压或电流时，两种不同电阻状态中的每种也可维持长时间。当通过施加非常低的电压而检测到电流时，对应的状态可以被读取。因此，本发明的器件可以用作存储器件。

图5示出图2所示的本发明的存储器件的等效电路。假定电路以这样的方式形成，即用于控制转换窗的电阻器部件R_ext串联连接至电阻式存储器件R_switch，施加到全电路的总电压的划分开的部分根据两个电阻器部件R_switch和R_ext的电阻比值而施加到存储器件，因此存储器件的转换驱动电压和电流可以任选地控制，如下面的方程式1所表示：

方程式1：

$V_{\mathrm{switch}}=\frac{R_{\mathrm{switch}}}{R_{\mathrm{switch}}+R_{\mathrm{ext}}}{V}_{\mathrm{total}}$

另外，描述图5所示的示意性电路图基于这样的假定，即假定置位状态的电阻R_set为100Ω，复位状态的电阻R_reset为100kΩ，从复位状态转换到置位状态所需的阈值电压V_{th(reset→set)}为1V，从置位状态转换到复位状态所需的阈值电压V_{th(set→reset)}为2V。

在连接了100Ω的用于控制转换窗的电阻器部件的情况下，从复位状态转换到置位状态例如施加1V的电压时，由于R_reset(100kΩ)远大于R_ext(100Ω)，所以几乎全部外电压施加到存储单元。另一方面，尽管存储单元需要2V的电压用于从置位状态转换到复位状态，由于R_set(100Ω)等于R_ext(100Ω)，所以电压以被分为1/2的状态施加到存储单元。因此，为了将存储单元从置位状态转换到复位状态，应施加4V的总电压。

如图6所示，从置位状态到复位状态所需的转换电压依赖于外部电阻(用于控制转换窗的电阻器部件的电阻)的大小而线性增大。同时，在复位状态，因为V_switch与V_total几乎相同，所以从高电阻转换到低电阻时，与外部电阻的大小无关，驱动电压很少改变。以此方式，随着外部电阻的大小增加，置位状态的驱动电压很少改变，而复位状态的驱动电压增大，导致增大的转换窗(图4和6)。

另外，本发明的存储器件可用作WORM型存储器。当存储器件的外部电阻的大小显著增大至高状态时，转换到低电阻状态然后又转换到高电阻状态所需的电压大大增加，因此转换是不可行的。因此，本发明的存储器件可用作WORM型存储器。即，在用于控制转换窗的电阻器部件的电阻的大小较小的情况下，本发明的存储器件可用作非易失性存储器，而在用于控制转换窗的电阻器部件的电阻的大小较大的情况下，其可用作WORM型存储器。本发明的原理可用于各种开关器件(switching device)，以及存储器件。

在下面的示例的启发下，可获得对本发明的更好的理解，提出下面的示例用于说明，而不能理解为对本发明的限制。

<示例>

1.测试存储器件的制造

利用热蒸镀(thermal evaporation)将铝沉积在衬底上作为下电极。然后，在下铝电极上，利用旋涂施加P3HT(聚-3-己基噻吩)溶液且在65℃烘焙10分钟，从而形成有机存储部件。然后，上Au电极利用热蒸镀沉积在存储部件上，从而制造测试器件。这样，有机存储部件为50nm厚，电极为80nm厚，每层的厚度利用α-台阶形貌测量仪(alpha-step profilometer)测量。充当用于控制转换窗的电阻器部件的陶瓷电阻器串联连接至该器件的外部。将沉积的电极的厚度利用石英晶体监视仪(quartz crystal monitor)控制。

2.测试器件的转换窗的测量

操作测试器件时，测量随用于控制转换窗的电阻器部件的电阻的大小而变化的驱动电压。结果显示在图7中。由图7显见，在用于控制转换窗的电阻器部件的电阻为30Ω的情况下，转换窗是零。此外，当电阻变为60Ω时，转换窗增大到约0.8V。此外，当用于控制转换窗的电阻器部件的电阻为90Ω时，转换窗增大到1.6V。因此，在本发明的电阻式存储器件中，随着用于控制转换窗的电阻器部件的电阻的大小增大，置位状态的驱动电压(●)很少变化，而复位状态的驱动电压(▲)增大，从而导致更大的转换窗。

3.测试器件的转换可重复性的检验

50Ω的外部电阻器串联连接至该测试存储器件从而确保存储窗。其后，脉冲电压施加到测试器件且测量转换周期。结果在图8中给出。+7V、-1.5V、-0.5V、-6V和-0.5V的脉冲电压顺序应用于每个周期，其中+7V和-1.5V对应于置位状态的转换电压，-0.5V是用于读取的电压，-6V对应于用于擦除的复位状态的转换电压。作为进行循环过程200次或更多次的结果，证实本发明的存储器件能实现90％或更高的高度可重复性。

4. WORM型属性的检验

为了确认本发明的电阻式存储器件是否可用作WORM型存储器件，充当用于控制转换窗的电阻器部件的5kΩ的陶瓷电阻器串联连接至测试器件。器件在3V置位转换之后，观察施加15V时是否发生复位转换。I-V曲线显示在图9A和9B中。可以看出，器件如图9A所示在3V置位转换，但是在±15V没有复位转换(图9B)。

如前所述，本发明提供具有用于控制转换窗的电阻器部件的电阻式存储器件。本发明的电阻式存储器件能充分确保引起置位状态的电压(或电流)与引起复位状态的电压(或电流)之间的差(转换窗)，从而表现出优良的操作可靠性。

此外，本发明的存储器件通过向传统或未来电阻式存储器件仅额外提供用于控制转换窗的电阻器部件来实现，从而能容易地制造且能应用于所有电流和电压驱动型电阻式器件。

尽管用于说明目的公开了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员将意识到，在不偏离权利要求定义的本发明的思想和范围的情况下，各种修改、添加和替代是可行的。

Claims (11)

1.一种电阻式存储器件，包括用于控制转换窗的电阻器部件。

2.如权利要求1所述的存储器件，其中所述用于控制转换窗的电阻器部件串联连接至所述存储器件的外部。

3.如权利要求1所述的存储器件，其中所述用于控制转换窗的电阻器部件设置在所述存储器件内。

4.如权利要求3所述的存储器件，其中所述存储器件包括顺序布置的下电极、用于控制转换窗的电阻器部件、电阻式存储层、以及上电极。

5.如权利要求4所述的存储器件，其中所述存储器件还包括所述用于控制转换窗的电阻器部件与所述电阻式存储层之间的金属层。

6.如权利要求2所述的存储器件，其中所述用于控制转换窗的电阻器部件是金属线。

7.如权利要求1所述的存储器件，其中所述用于控制转换窗的电阻器部件由有机半导体材料或者无机半导体材料形成。

8.如权利要求7所述的存储器件，其中所述有机半导体材料是导电聚合物或者掺杂以导电成分的绝缘聚合物。

9.如权利要求7所述的存储器件，其中所述无机半导体材料选自包括本征半导体、非本征半导体、以及化合物半导体的组。

10.如权利要求1所述的存储器件，其中所述存储器件是有机存储器、氧化物电阻式RAM、或者相变RAM。

11.如权利要求1所述的存储器件，其中所述存储器件是WORM型存储器件。

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