CN104103756B - 一种阻变存储器及采用其实现多值存储的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阻变存储器及采用其实现多值存储的方法，所述阻变存储器包括：一基片；一第一端电极，设置于基片上；一经等离子处理过的阻变存储介质，设置于第一端电极的右侧或上方；一第二端电极，设置于阻变存储介质的右侧。采用所述阻变存储器实现多值存储的方法为：采用限制流经阻变存储介质电流的方式，对阻变存储介质的阻态进行调整。通过不同限制电流获得阻变存储介质的不同阻态，从而重复、稳定地实现多值存储。
Description
技术领域
本发明属于半导体存储器技术领域，特别涉及一种阻变存储器及采用其实现多值存储的方法。
背景技术
阻变存储器（RRAM）通常由简单三明治结构（电极/存储介质/电极）构成，通过施加电信号，改变存储材料的电阻状态，从而实现双稳态的存储功能（高阻代表“1”，低阻代表“0”）。信息时代对数据量有很强的需求，因此，如何获得更高存储密度是人们不断追求的目标。其中一个可行的方案就是多值存储，即，在一个存储单元中尽可能多地存储数据。单位面积的存储量也将因此提高。一般的多值存储需要在高低阻态间寻找到若干个稳定、可重复的中间电阻态，从而满足数字电路对存储状态数的要求（2n个阻态，其中n是大于1的整数）。然而，这些中间电阻态的重复性和稳定性往往不易控制，这也大大阻碍了多值存储的产业化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以重复、稳定地实现多值存储的阻变存储器及采用其实现多值存储的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种阻变存储器，包括：
一基片；
一第一端电极，设置于所述基片上；
一经等离子处理过的阻变存储介质，设置于所述第一端电极的右侧或上方；
一第二端电极，若所述阻变存储介质设置于所述第一端电极的右侧，则所述第二端电极设置于所述阻变存储介质的右侧，若所述阻变存储介质设置于所述第一端电极的上方，则所述第二端电极设置于所述阻变存储介质的上方。
在本发明一实施例中，所述第一端电极和第二端电极的材质为导电金属、金属合金、导电金属化合物或半导体，所述阻变存储介质的材质为半导体或绝缘体。
在本发明一实施例中，所述导电金属为Ta、Cu、Pt、Au、W、Ni或Ag；所述金属合金为Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al、Ti/W或Al/Zr；所述导电金属化合物为TiN、TiW、TaN或WSi；所述半导体为Si、Ge、ZnO、ITO、GZO、AZO、FTO、CuO、Cu2O或NiO；所述绝缘体为HfO2、Al2O3、TiO2、MgO或SiO2。
在本发明一实施例中，所述阻变存储器的制备方法包括以下步骤：
A1）在基片上通过磁控溅射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸发的方法制作第一端电极；
A 2）在所述第一端电极的右侧或上方设置经等离子处理过的阻变存储介质，并与所述第一端电极形成良好电接触；
A 3）在所述阻变存储介质的右侧或上方通过磁控溅射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸发的方法制作第二端电极，并与所述阻变存储介质形成良好电接触。
在本发明一实施例中，所述阻变存储介质的制备方法为：通过CVD法生长纳米线或通过光刻/曝光法图形化加工形成线状阻变存储介质。
在本发明一实施例中，所述阻变存储介质的制备方法为：通过磁控溅射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸发的方法形成薄膜状阻变存储介质。
在本发明一实施例中，对所述阻变存储介质的等离子处理包括以下步骤：
B1）将所述阻变存储介质放置于真空腔室中，并抽真空；
B2）在所述真空腔室中通入Ar、N2、O2、NH3、H2、CHF3、CF4、SF6气体中的一种或几种，并保持腔室气压为1~1000Pa；
B3）施加10~300W功率于腔室内的气体，使其成为等离子，并保持等离子对阻变存储介质作用10~3600s。
本发明还提供一种采用上述阻变存储器实现多值存储的方法，采用限制流经阻变存储介质电流的方式，对阻变存储介质的阻态进行调整，通过不同限制电流获得阻变存储介质的不同阻态，从而实现多值存储。
在本发明一实施例中，实现阻变存储器n个阻态的方法为：
C1）在处于第1阻态R1的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I1，阻变存储器获得第2阻态R2，其中I1>0，R2<R1；
C2）在处于第i阻态Ri的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为Ii，阻变存储器获得第i+1阻态Ri+1，其中Ii>Ii-1，Ri+1<Ri；i为整数，2≤i≤n-1，n为不小于2的整数。
在本发明一实施例中，实现阻变存储器的4个阻态，包括以下步骤：
D1）在处于第1阻态R1的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I1，阻变存储器获得第2阻态R2，其中I1>0，R2<R1；
D2）在处于第2阻态R2的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I2，阻变存储器获得第3阻态R3，其中I2> I1，R3<R2；
D3）在处于第3阻态R3的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I3，阻变存储器获得第4阻态R4，其中I3> I2，R4<R3；
从而实现在一个阻变存储器中保存4个状态，即2比特的多值存储功能。
本发明的有益效果是提供了一种阻变存储器及采用其实现多值存储的方法，该方法基于经等离子处理过的阻变存储介质，采用限制流经阻变存储介质电流的方式，对阻变存储介质的阻态进行调整，通过不同限制电流获得阻变存储介质的不同阻态，从而稳定地实现多值存储功能，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明中阻变存储器的结构示意图。
图2为本发明中作为阻变存储介质的氧化锌纳米线（Ar等离子处理和未处理样品）的HRTEM影像图。
图3为本发明中作为阻变存储介质的氧化锌纳米线（Ar等离子处理和未处理样品）的PL谱图。
图4为本发明中经Ar等离子处理氧化锌纳米线的阻变循环擦写特性图。
图5为本发明中未经等离子处理氧化锌纳米线的阻变循环擦写特性图。
图示说明：01-基片，02-第一端电极，03-阻变存储介质，04-第二端电极。
具体实施方式
本发明提供优选实施例，只用于对本发明做进一步的说明，不应该被认为仅限于在此阐述的实施例，也不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。下述优选实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。在图示中，基片、第一端电极、阻变存储介质、第二端电极等结构为理想化模型，不应该被认为严格规定其参数、几何尺寸。在此，参考图是本发明理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括能够实现相同功能的其他形状。
如图1所示，本发明提供一种阻变存储器，包括：
一基片01；
一第一端电极（左电极或下电极）02，设置于所述基片01上；
一经等离子处理过的阻变存储介质03，设置于所述第一端电极02的右侧或上方；
一第二端电极（右电极或上电极）04，若所述阻变存储介质03设置于所述第一端电极02的右侧，则所述第二端电极04设置于所述阻变存储介质03的右侧，若所述阻变存储介质03设置于所述第一端电极02的上方，则所述第二端电极04设置于所述阻变存储介质03的上方。
其中，所述基片01可以是半导体或具有绝缘功能的衬底。所述第一端电极02和第二端电极04的材质为导电金属、金属合金、导电金属化合物或导电性良好的半导体等。在本实施例中，所述导电金属为Ta、Cu、Pt、Au、W、Ni或Ag，所述金属合金为Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al、Ti/W或Al/Zr，所述导电金属化合物为TiN、TiW、TaN或WSi，所述半导体为Si、Ge、ZnO、ITO、GZO、AZO、FTO、CuO、Cu2O或NiO；所述绝缘体为HfO2、Al2O3、TiO2、MgO或SiO2。所述阻变存储介质03的材质为半导体或绝缘体，其阻变主要发生于介质表面，多值阻变特性与沿着介质表面输运的电荷有关。
本发明还提供了上述阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：
A1）在基片上通过磁控溅射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸发的方法制作第一端电极；
A 2）在所述第一端电极的右侧或上方设置经等离子处理过的阻变存储介质，并与所述第一端电极形成良好电接触；
A 3）在所述阻变存储介质的右侧或上方通过磁控溅射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸发的方法制作第二端电极，并与所述阻变存储介质形成良好电接触。
其中，所述阻变存储介质的制备方法为：通过CVD法生长纳米线或通过光刻/曝光法图形化加工形成线状阻变存储介质，也可以通过磁控溅射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸发的方法形成薄膜状阻变存储介质。对所述阻变存储介质的等离子处理包括以下步骤：
B1）将所述阻变存储介质放置于与等离子体发生器相连的真空腔室中，并抽真空；
B2）在所述真空腔室中通入Ar、N2、O2、NH3、H2、CHF3、CF4、SF6气体中的一种或几种，并保持腔室气压为1~1000Pa；
B3）施加10~300W功率于腔室内的气体，使其成为等离子，并保持等离子对阻变存储介质作用10~3600s。
本发明还提供了一种采用上述阻变存储器实现多值存储的方法，该方法采用限制流经阻变存储介质电流的方式，对阻变存储介质的阻态进行调整。通过不同限制电流获得阻变存储介质的不同阻态，从而实现多值存储。具体的，实现阻变存储器的n个阻态的方法为：
C1）在处于第1阻态R1的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I1，阻变存储器获得第2阻态R2，其中I1>0，R2<R1；
C2）在处于第i阻态Ri的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为Ii，阻变存储器获得第i+1阻态Ri+1，其中Ii>Ii-1，Ri+1<Ri；i为整数，2≤i≤n+1，n为不小于2的整数。
在本发明一较佳实施例中，实现阻变存储器的4个，包括以下步骤：
D1）在处于第1阻态R1的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I1，阻变存储器获得第2阻态R2，其中I1>0，R2<R1；
D2）在处于第2阻态R2的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I2，阻变存储器获得第3阻态R3，其中I2> I1，R3<R2；
D3）在处于第3阻态R3的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I3，阻变存储器获得第4阻态R4，其中I3> I2，R4<R3；
从而实现在一个阻变存储器中保存4个状态，即2比特的多值存储功能。
在本发明其他实施例中，可以通过进一步细化相邻限制电流的强度，获得更多存储状态。
本发明中，采用等离子体轰击阻变存储介质的表面，使其产生缺陷（图2中可以看到相较于未经等离子处理的ZnO表面，经Ar等离子处理的ZnO表面的平整度下降，其表面产生少量可见凹凸；另外，我们也在图3的PL光谱中看到，等离子处理过的样品产生了可见光发射，这是由缺陷导致。因此等离子处理能够在样品中引入缺陷），从而对电荷输运产生影响，表现出缺陷数量与阻值的必然联系。测试过程中，通过限制电流填补部分缺陷，控制俘获电荷缺陷的数量，最终达到多态存储的目的。
以下结合优选的实施例进行详细说明。
实施例1：
一种具备多值存储能力的阻变存储器，其结构如图1所示，由氧化硅片衬底01、厚200nm的Ti作为左电极02、直径约为60nm且长度约为10um的氧化锌纳米线03、厚200nm的Ti作为右电极04构成。
该阻变存储器的具体制作步骤和测试步骤如下：
将氧化锌纳米线放入真空腔室，通入60sccm的Ar气，并使腔室内部气压维持在120Pa；接着将等离子功率源调节至100W使其中气体电离，并维持等离子体作用于氧化锌纳米线2分钟；
随后取出纳米线，并将其分散在氧化硅基片上；
通过微电子加工工艺将两个间距约为3μm、厚度为200nm的Ti电极制作在氧化锌纳米线的两端并实现良好电接触；
通过上述步骤可以获得基于单根氧化锌纳米线的阻变存储器。
随后，采用半导体参数测试仪测试相关多值阻变存储特性，具体步骤如下：
将左电极02接地电，而右电极04施加幅值递增的电压信号（电压范围：0-20V，电压步进增量：0.1V）。与此同时，我们限制通过存储器的电流为8×10-8A.扫描完成后，施加极小电压0.25V读取此时的器件电阻值约为3×108欧姆；
接着我们施加相同幅值递增的电压信号，适当增加通过存储器的电流为3×10-7A。扫描完成后，同样施加0.25V电压读取此时器件电阻约为2×107欧姆；
最后我们施加相同的幅值递增电压信号，增加通过存储器的电流为8×10-7A.扫描完成后，同样施加0.25V电压读取此时器件电阻约为5×106欧姆。
从图4和图5的循环测试曲线中，可以看出等离子处理后的氧化锌纳米线具备较为稳定的多值存储能力，相邻阻态之间的区分度较为明显；而未经等离子体处理的氧化锌纳米线在经过相同测试后，未见多个存储状态，不能实现多值存储。
实施例2：
一种具备多值存储能力阻变存储器，其结构如图1所示，由重掺杂硅片衬底01、超薄Au作为下电极02、直径约为30nm且长度约为8μm的氧化锌纳米线03、覆盖于氧化锌纳米线03顶端的Au电极04构成。
该阻变存储器的具体制作步骤和测试步骤如下：
在Si（111）衬底上沉积2nm厚Au薄膜，随后在800℃下真空退火10分钟，从而获得直径约为20-30nm的Au颗粒；
随后将覆盖Au颗粒的硅基片放入CVD炉，通过CVD法在950℃下，在VLS机制下合成Au颗粒位于顶端的氧化锌纳米线，从而形成具有Si(111)/ZnO纳米线/Au结构的阻变存储器；
接着将上述样品放入真空腔室，通入80sccm的Ar气，并使腔室内部气压维持在150Pa；接着将等离子功率源调节至120W使气体电离，并维持等离子体作用于纳米线2分钟；
随后，采用实施例1中的类似方法测试该阻变存储器，可获得类似的多值存储功能。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种阻变存储器，其特征在于，包括：
一基片；
一第一端电极，设置于所述基片上；
一经等离子处理过的阻变存储介质，设置于所述第一端电极的右侧或上方，所述阻变存储介质为线状阻变存储介质或薄膜状阻变存储介质；
一第二端电极，若所述阻变存储介质设置于所述第一端电极的右侧，则所述第二端电极设置于所述阻变存储介质的右侧，若所述阻变存储介质设置于所述第一端电极的上方，则所述第二端电极设置于所述阻变存储介质的上方；
该阻变存储器基于经等离子处理过的阻变存储介质，存储多个稳定且可重复的电阻状态；
其中，对所述阻变存储介质的等离子处理包括以下步骤：
A1）所述阻变存储介质制作完成之后，将所述阻变存储介质放置于真空腔室中，并抽真空；
A2）在所述真空腔室中通入Ar、N2、O2、NH3、H2、CHF3、CF4、SF6气体中的一种或几种，并保持腔室气压为1~1000Pa；
A3）施加10~300W功率于腔室内的气体，使其成为等离子，并保持等离子对阻变存储介质作用10~3600s。
2.根据权利要求1所述的一种阻变存储器，其特征在于，所述第一端电极和第二端电极的材质为导电金属、金属合金、导电金属化合物或半导体，所述阻变存储介质的材质为半导体或绝缘体。
3.根据权利要求2所述的一种阻变存储器，其特征在于，所述导电金属为Ta、Cu、Pt、Au、W、Ni或Ag；所述金属合金为Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al、Ti/W或Al/Zr；所述导电金属化合物为TiN、TiW、TaN或WSi；所述半导体为Si、Ge、ZnO、ITO、GZO、AZO、FTO、CuO、Cu2O或NiO；所述绝缘体为HfO2、Al2O3、TiO2、MgO或SiO2。
4.根据权利要求1所述的一种阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器的制备方法包括以下步骤：
B1）在基片上通过磁控溅射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸发的方法制作第一端电极；
B 2）在所述第一端电极的右侧或上方设置经等离子处理过的阻变存储介质，并与所述第一端电极形成良好电接触；
B3）在所述阻变存储介质的右侧或上方通过磁控溅射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸发的方法制作第二端电极，并与所述阻变存储介质形成良好电接触。
5.根据权利要求4所述的一种阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储介质的制备方法为：通过CVD法生长纳米线或通过光刻/曝光法图形化加工形成线状阻变存储介质。
6.根据权利要求4所述的一种阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储介质的制备方法为：通过磁控溅射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸发的方法形成薄膜状阻变存储介质。
7.一种采用如权利要求1-6任一项所述的阻变存储器实现多值存储的方法，其特征在于，采用限制流经阻变存储介质电流的方式，对阻变存储介质的阻态进行调整，通过不同限制电流获得阻变存储介质的不同阻态，从而实现多值存储；实现阻变存储器的n个阻态的方法为：
C1）在处于第1阻态R1的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I1，阻变存储器获得第2阻态R2，其中I1>0，R2<R1；
C2）在处于第i阻态Ri的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为Ii，阻变存储器获得第i+1阻态Ri+1，其中Ii>Ii-1，Ri+1<Ri；i为整数，2≤i≤n-1，n为不小于2的整数。
8.根据权利要求7所述的一种采用阻变存储器实现多值存储的方法，其特征在于，实现阻变存储器的4个阻态，包括以下步骤：
D1）在处于第1阻态R1的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I1，阻变存储器获得第2阻态R2，其中I1>0，R2<R1；
D2）在处于第2阻态R2的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I2，阻变存储器获得第3阻态R3，其中I2> I1，R3<R2；
D3）在处于第3阻态R3的阻变存储器两端施加电压，并限制流经阻变存储器的最大电流为I3，阻变存储器获得第4阻态R4，其中I3> I2，R4<R3；
从而实现在一个阻变存储器中保存4个状态，即2比特的多值存储功能。
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