一种阻变存储器及其制备方法与流程

1.本发明属于阻变存储器技术领域，更具体地说，本发明涉及一种阻变存储器及其制备方法。


背景技术：

2.忆阻器，是继电阻、电容和电感后的第四种基本无源电路元件，由于忆阻器的内部电阻可随两端电压改变而改变，所以忆阻器实际上是一种有记忆功能的电阻，可以用作存储元件。阻变存储器是忆阻器的一种，阻变存储器的信息存储是靠改变阻变层的电阻来实现的，阻变层具有高阻和低阻两种状态，可以通过在两个电极之间施加电压来改变阻变层的状态，在撤去电压后，阻变层的电阻状态可以保持。
3.阻变存储器之所以能够在不同的电压下实现不同阻态之间的相互转换，是因为阻变层内部形成或断开了细丝导电通道。细丝导电通道的通断状态决定了阻变存储器中的阻变层处于高阻态还是低阻态，也就实现了存储。阻变存储器高阻态和低阻态的阻值比，即为阻变存储器的存储窗口。现有技术中当导电通道断开时，由于阻变层内一些未与氧离子复合的空位的存在，导致电子可在空位陷阱中跳跃导电，使得阻变存储器的高阻态不可避免地有一定电流存在，造成阻值窗口无法进一步提高，影响阻变存储器的进一步应用，由此制备超大的存储窗口的阻变存储器，便成了迫切需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种阻变存储器及其制备方法，以解决上述现有技术中存在的阻变存储器的高阻态不可避免地有一定电流存在，造成阻值窗口无法进一步提高的技术问题。
5.为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种阻变存储器，包括：
7.衬底；
8.下电极，所述下电极和所述衬底相连接；
9.阻变层，所述阻变层和所述下电极相连接；
10.上电极，所述上电极和所述阻变层相连接，所述阻变层设置在所述下电极和所述上电极之间。
11.优选地，所述阻变层包括第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，所述第一金属氧化物层分别和所述下电极以及所述第二金属氧化物层相连接，所述第二金属氧化物层分别和所述第一金属氧化物层以及所述存储窗口层相连接，所述存储窗口层分别和所述上电极以及所述第二金属氧化物层相连接。
12.优选地，所述第一金属氧化物层的材料为氧化铝，所述第二金属氧化物层的材料为二氧化钛，所述存储窗口层的材料为金属氧化物。
13.优选地，所述下电极的材料为pd、pt、ti、au或tin，所述上电极的材料为pd、pt、ti、
au或tin。
14.优选地，所述衬底的材料为绝缘材料。
15.一种制备阻变存储器的方法，包括以下步骤：
16.选择硅片作为衬底并进行清洗，在衬底之上沉积形成下电极；
17.在下电极之上沉积形成阻变层，所述阻变层依次制作第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层；
18.在存储窗口层之上沉积形成上电极；
19.通过光刻技术加工所述下电极、所述阻变层以及所述上电极的图形，将所述下电极、所述阻变层和所述上电极组成的多个阻变存储器之间相互隔离。
20.优选地，在衬底之上沉积形成下电极的方法为物理气相沉积、热蒸发工艺或原子层沉积。
21.优选地，在下电极之上依次制作第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，具体包括以下步骤：
22.所述第一金属氧化物层使用tma和h2o作为反应前驱体，n2作为载体，生长温度为300℃，生长厚度为4nm的氧化铝；
23.所述第二金属氧化物层为溅射tio2，溅射功率为80w，氧氩比10/90sccm，钛靶纯度为99.99％，溅射厚度为4nm。
24.优选地，在下电极之上依次制作第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，具体包括以下步骤：
25.所述存储窗口层为溅射10nm的氧化镍，溅射真空度是5*10-4
pa，溅射功率为100w，溅射速度是2nm/min，溅射厚度是10nm。
26.优选地，在存储窗口层之上制作上电极的方法为物理气相沉积、热蒸发工艺或原子层沉积。
27.本发明提供的有益效果在于：
28.1、本发明包括衬底、下电极、阻变层和上电极，阻变层设置在下电极和上电极之间，阻变层包括第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，第二金属氧化物层分别和第一金属氧化物层以及存储窗口层相连接。阻变存储器在高阻态与低阻态之间转变时，吸收或者释放大量氧原子，在阻变存储器从低阻态转变为高阻态时，释放出的大量氧原子可以大大促进阻变层中的导电细丝的断开，并且使得导电细丝断开地更为彻底，通过有效加强阻变层中导电细丝通道的断开，使得增大电极之间的电阻，达到增大阻变存储器的存储窗口的效果。
29.2、本发明包括一种制备阻变存储器的方法，本技术的制备过程简单，与传统的cmos工艺兼容，并且极大地降低了生产成本。通过光刻技术加工下电极、阻变层以及上电极的图形，将下电极、阻变层和上电极组成的多个阻变存储器之间相互隔离，相互隔离的阻变存储器可分别进行独立测试。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是阻变存储器的结构示意图；
32.图2是阻变存储器的制备工艺流程图；
33.图3是阻变存储器与传统结构的阻变存储器的存储窗口大小的比较示意图。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
35.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1：
37.如图1所示，本实施例包括一种阻变存储器，包括：衬底；下电极，下电极和衬底相连接；阻变层，阻变层和下电极相连接；上电极，上电极和阻变层相连接，阻变层设置在下电极和上电极之间。
38.阻变层包括第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，第一金属氧化物层分别和下电极以及第二金属氧化物层相连接，第二金属氧化物层分别和第一金属氧化物层以及存储窗口层相连接，存储窗口层分别和上电极以及第二金属氧化物层相连接。
39.第一金属氧化物层的材料为氧化铝，第二金属氧化物层的材料为二氧化钛，存储窗口层的材料为金属氧化物，具体的，在本实施例中，存储窗口层的材料可以为氧化镍。
40.下电极的材料为pd、pt、ti、au或tin，上电极的材料为pd、pt、ti、au或tin，衬底的材料为绝缘材料。具体的，在本实施例中，绝缘材料可以为二氧化硅或氮化硅。
41.阻变层中的存储窗口层在阻变过程中吸收或者释放大量氧原子，在阻变存储器从高阻态转变为低阻态时，存储窗口层通过吸收大量氧原子形成阻变层中的导电细丝。在阻变存储器从低阻态转变为高阻态时，存储窗口层通过释放大量氧原子促进阻变层中的导电细丝断开，并且使得导电细丝断开地更为彻底，增大电极之间的电阻，从而减小高阻态时的阻变存储器的电流，在维持低阻态时的阻变存储器的电流基本不变的情况下，可以增大阻变存储器中的存储窗口。
42.具体的，在本实施例中以镍的氧化物为例，存储窗口层的材料为镍的氧化物，在阻变过程中镍的氧化物可以发生化学反应，即在nio与ni2o3之间相互转化，利用nio与ni2o3具有不同的电导率，从而减小高阻态时的阻变存储器的电流，增大阻变存储器中的存储窗口。
43.具体的，在镍的氧化物中，nio为绝缘体，ni2o3为导电相。通过在上电极与下电极间施加不同的特定电压，nio与ni2o3可以实现相互转化。阻变存储器制作完成时，镍的氧化物主要为nio，此时阻变存储器处于高阻态，在电极两端施加电压时，存储窗口层通过化学反应转变为ni2o3，同时第一金属氧化物层和第二金属氧化物层也在电场中释放出氧原子，从
而转变为缺氧状态，即具有氧空位的状态，进而整个阻变层均转换为低阻态。
44.阻变存储器处于低阻态后，在电极两端施加电压，电流将会流过阻变层使得阻变层内部导电细丝附近的温度急剧升高，从而ni2o3发生分解生成nio并释放氧原子，此时第一金属氧化物层和第二金属氧化物层的金属氧化物中的氧空位与释放出的氧原子进行复合，转变为不具有氧空位的状态，进而整个阻变层均转换为高阻态。
45.实施例2：
46.如图2所示，本实施例包括一种制备阻变存储器的方法，包括以下步骤：选择硅片作为衬底并进行清洗，在衬底之上沉积形成下电极；在下电极之上沉积形成阻变层，阻变层依次制作第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层；
47.在存储窗口层之上沉积形成上电极；通过光刻技术加工下电极、阻变层以及上电极的图形，将下电极、阻变层和上电极组成的多个阻变存储器之间相互隔离。
48.具体的，在本实施例中，可以选择一块带有氧化硅的硅片作为衬底并进行清洗，其中，氧化硅是作为隔离层，用于隔离阻变存储器与衬底。
49.在衬底之上沉积形成下电极的方法为物理气相沉积、热蒸发工艺或原子层沉积。在本实施例中，在衬底之上制作下电极，具体包括以下步骤：通过光刻技术形成图形；溅射pt，溅射真空度是5*10-4
pa，溅射功率为300w，溅射速度是40nm/min，溅射厚度是40nm；进行光刻胶剥离工艺，剥离完成后氮气吹干。
50.在下电极之上依次制作第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，具体包括以下步骤：第一金属氧化物层使用tma和h2o作为反应前驱体，n2作为载体，生长温度为300℃，生长厚度为4nm的氧化铝；第二金属氧化物层为溅射tio2，溅射功率为80w，氧氩比10/90sccm，钛靶纯度为99.99％，溅射厚度为4nm。
51.在下电极之上依次制作第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，具体包括以下步骤：存储窗口层为溅射10nm的氧化镍，溅射真空度是5*10-4
pa，溅射功率为100w，溅射速度是2nm/min，溅射厚度是10nm。
52.在存储窗口层之上制作上电极的方法为物理气相沉积、热蒸发工艺或原子层沉积。在本实施例中，在存储窗口层之上制作上电极，具体包括以下步骤：溅射40nm的镍，溅射真空度是5*10-4
pa，溅射功率为200w，溅射速度是18nm/min。
53.具体的，阻变存储器工作时，先在下电极电压为零时，在上电极施加一个较大的正向forming直流扫描电压，如5v，使阻变存储器从初始的高阻态进入低阻态。然后再施加负向的直流扫描电压，如-2v，使阻变存储器从低阻态进入高阻态。重复施加正向与负向电压，阻变器件可在高阻态和低阻态两个阻态之间进行转变。
54.使用一个很小的脉冲电压，如0.1v，读取通过阻变存储器的电流值，以确定阻变层处于哪一个状态。利用脉冲电压除以得到的电流，可分别得到高阻态和低阻态的阻值，两者的比值即为阻变存储器的存储窗口。如图3所示，对比了是否增加氧化镍两种阻变存储器的存储窗口大小，可以看出带氧化镍的阻变存储器存储窗口更大。
55.需要说明的是：
56.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
57.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
58.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种阻变存储器，其特征在于，包括：衬底；下电极，所述下电极和所述衬底相连接；阻变层，所述阻变层和所述下电极相连接；上电极，所述上电极和所述阻变层相连接，所述阻变层设置在所述下电极和所述上电极之间。2.如权利要求1所述的一种阻变存储器，其特征在于，所述阻变层包括第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，所述第一金属氧化物层分别和所述下电极以及所述第二金属氧化物层相连接，所述第二金属氧化物层分别和所述第一金属氧化物层以及所述存储窗口层相连接，所述存储窗口层分别和所述上电极以及所述第二金属氧化物层相连接。3.如权利要求2所述的一种阻变存储器，其特征在于，所述第一金属氧化物层的材料为氧化铝，所述第二金属氧化物层的材料为二氧化钛，所述存储窗口层的材料为金属氧化物。4.如权利要求1所述的一种阻变存储器，其特征在于，所述下电极的材料为pd、pt、ti、au或tin，所述上电极的材料为pd、pt、ti、au或tin。5.如权利要求1所述的一种阻变存储器，其特征在于，所述衬底的材料为绝缘材料。6.一种制备如权利要求1-5任一项所述的阻变存储器的方法，其特征在于，包括以下步骤：选择硅片作为衬底并进行清洗，在衬底之上沉积形成下电极；在下电极之上沉积形成阻变层，所述阻变层依次制作第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层；在存储窗口层之上沉积形成上电极；通过光刻技术加工所述下电极、所述阻变层以及所述上电极的图形，将所述下电极、所述阻变层和所述上电极组成的多个阻变存储器之间相互隔离。7.如权利要求6所述的制备阻变存储器的方法，其特征在于，在衬底之上沉积形成下电极的方法为物理气相沉积、热蒸发工艺或原子层沉积。8.如权利要求6所述的制备阻变存储器的方法，其特征在于，在下电极之上依次制作第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，具体包括以下步骤：所述第一金属氧化物层使用tma和h2o作为反应前驱体，n2作为载体，生长温度为300℃，生长厚度为4nm的氧化铝；所述第二金属氧化物层为溅射tio2，溅射功率为80w，氧氩比10/90sccm，钛靶纯度为99.99％，溅射厚度为4nm。9.如权利要求6所述的制备阻变存储器的方法，其特征在于，在下电极之上依次制作第一金属氧化物层、第二金属氧化物层和存储窗口层，具体包括以下步骤：所述存储窗口层为溅射10nm的氧化镍，溅射真空度是5*10-4
pa，溅射功率为100w，溅射速度是2nm/min，溅射厚度是10nm。10.如权利要求6所述的制备阻变存储器的方法，其特征在于，在存储窗口层之上制作上电极的方法为物理气相沉积、热蒸发工艺或原子层沉积。

技术总结
本发明公开了一种阻变存储器及其制备方法，包括：衬底；下电极，下电极和衬底相连接；阻变层，阻变层和下电极相连接；上电极，上电极和阻变层相连接，阻变层设置在下电极和上电极之间，有益效果在于阻变存储器在高阻态与低阻态之间转变时，吸收或者释放大量氧原子，在阻变存储器从低阻态转变为高阻态时，释放出的大量氧原子可以大大促进阻变层中的导电细丝的断开，并且使得导电细丝断开地更为彻底，通过有效加强阻变层中导电细丝通道的断开，使得增大电极之间的电阻，达到增大阻变存储器的存储窗口的效果。口的效果。口的效果。


技术研发人员：丁勇 严麒 陈丽霞 任佳莹 胡颖蔚 蔡舒群
受保护的技术使用者：杭州国家集成电路设计产业化基地有限公司
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8