CN107706205B - 一种高稳定的单极性阻变存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高稳定的单极性阻变存储器，其核心为“化学惰性阳极/氧化物存储介质/化学活性阴极”三层膜结构，氧化物存储介质和化学活性阴极之间自发进行界面反应而形成含有大量氧空位和低价氧化物的界面层；当阳极层和阴极层之间施加电压时，在界面层作用下，氧化物存储介质中形成的导电细丝在阳极附近具有尖端结构，电压发生变化引起的导电细丝形成和断开发生在该尖端附近，因此抑制了导电细丝的随机形成和断开，能够获得高稳定的单极性阻变行为。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻变存储器技术领域，具体涉及一种高稳定的单极性阻变存储器。
背景技术
在本世纪初，由于移动通信、社交媒体、远程遥感等多样化信息产生和传播途径的飞速发展，人类社会正式迈进了“大数据时代”。面对如此种类繁多且体积庞大的数据，人们首先要解决的就是如何方便快捷且安全可靠地将其存储。当前，市场上的主流存储器包括动态随机存储器、硬盘和闪存三种，但各自都有明显的性能缺陷，比如动态随机存储器的易失性、硬盘的慢读写速度和闪存的低擦写耐受性。因此，全球半导体行业正在迫切寻找一种能兼具动态随机存储器、硬盘和闪存三者优势的新型存储器。
阻变存储器已被公认是一种有前途的高速、高密度、低功耗、耐擦写且廉价的非易失性存储概念，其存储单元为简单的“阳极/存储介质/阴极”三层膜结构，存储介质具有电阻转变性质，在阳极与阴极之间调控施加电压可以使存储单元的电阻在高低阻值切换。目前研究表明，大多数阻变存储器在电压作用下材料内部的带电缺陷经过一系列氧化还原反应形成了连通阳极和阴极的导电通道，本文中将该导电通道称为“导电细丝”。在电压调控下，该导电细丝发生形成和断开状态，对应着器件表现为低电阻态和高电阻态，因此阻变器件的性能与导电细丝的形成状态密切相关。
根据擦写电压极性的异同，阻变存储器可分为“单极性”和“双极性”两种，前者的擦写电压极性相同，而后者的则相反。实际应用时，单极性阻变存储器更具优势，这是因为其同极性擦写操作有利于实现更高的集成密度和更简化的外围控制电路。
当前，阻变稳定性差是限制单极性阻变存储器商业化的关键问题。研究表明，阻变存储器的稳定性与导电细丝的形成和断开位置密切相关，但是目前具有三层膜结构的阻变器件中，带电缺陷在均匀电场作用下迁移的随机性很强，在器件连续擦写过程中导电细丝的形成和断开的位置具有随机性，这是造成器件性能不稳定的主要因素。为了抑制导电细丝形成和断开的随机性，人们已经提出了金属纳米颗粒掺杂存储介质和微纳加工金字塔型电极两种主要方法。虽然这二者确实可以提高单极性阻变稳定性，但都因过于复杂且与标准CMOS工艺不兼容而难以实用化。
发明内容
针对上述技术现状，本发明旨在提供一种单极性阻变存储器，其具有结构简单和阻变稳定性高的优点。
为实现上述技术目的，本发明采取以下技术方案：一种高稳定的单极性阻变存储器，在绝缘基体表面具有“阳极/存储介质/阴极”三层膜结构，其特征在于，如图1所示，所述阳极层位于绝缘基体表面，是具有化学惰性的金属；所述存储介质层位于阳极层表面，是具有电阻转变性质的氧化物；所述阴极层位于存储介质层表面，是具有化学活性的金属，阴极层与存储介质层之间通过自发氧化还原反应生成界面层。
工作状态时，阳极层与阴极层之间施加电压，由于界面层的作用，氧化物存储介质中形成的导电细丝在阳极附近具有尖端结构，参考图2所示，电压发生变化引起的导电细丝形成和断开发生在该尖端附近。
作为一种情况，阳极与阴极之间的导电细丝呈锥形。
作为优选，所述存储介质层的厚度为5纳米～15纳米。
所述的导电细丝是指在阳极与阴极之间施加电压时，阻变存储器的存储介质层中形成的连通阳极和阴极的导电通道，阻变存储器呈低阻态。当调控施加电压时，该导电通道可发生熔断，即导电细丝呈断开状态，阻变存储器呈高阻态。
所述阳极材料具有化学惰性主要是指对氧元素具有化学惰性，即，在一般条件下该阳极不易被氧化。
所述阳极材料包括但不限于铂(Pt)、金(Au)和钨(W)等中的一种或者几种的混合材料。
所述存储介质层材料包括绝缘或半导体金属氧化物，包括但不限于三氧化二铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二钒(V2O5)、氧化镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、二氧化锆(ZrO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、三氧化钼(MoO3)、二氧化铪(HfO2)、五氧化二钽(Ta2O5)和三氧化钨(WO3)等中的一种或者几种的混合材料。
所述阴极材料具有化学活性主要是指其具有高氧亲和力，即，易与氧元素发生氧化还原反应。
所述阴极材料包括但不限于铝(Al)、钛(Ti)、铪(Hf)和钽(Ta)等中的一种或者几种的混合材料。
所述阳极层的制备方法不限，包括磁控溅射、热蒸发和电子束蒸发等中的一种或者几种的组合。
所述阴极层的制备方法不限，包括磁控溅射、热蒸发和电子束蒸发等中的一种或者几种的组合。
所述存储介质层的制备方法不限，包括水热法、热氧化、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发和脉冲激光沉积等中的一种或者几种的组合。
综上所述，本发明提供了一种具有高阻变稳定性的单极性阻变存储器，其核心为“化学惰性阳极/氧化物存储介质/化学活性阴极”三层膜结构，根据热力学原理，氧化物存储介质和化学活性阴极之间会自发进行界面反应，在氧化物存储介质层和化学活性阴极层之间形成一个含有大量氧空位和低价氧化物的界面层；当化学惰性阳极层和化学活性阴极层之间施加电压时，该界面层一方面可以促进导电细丝在阴极附近的生长，另一方面可以充当串联电阻来抑制导电细丝的整体过度发育，最终使得阳极与阴极之间的导电细丝在阳极附近具有尖端结构；如此，在导电细丝的热熔断过程中，电流的焦耳热效应主要集中在该尖端结构附近，使得导电细丝仅在尖端结构处断裂，而其残留部分则可产生电场集中效应，使得导电细丝的再次形成优先发生在该处，从而抑制了导电细丝的随机形成和断开，能够获得高稳定的单极性阻变行为，有望极大地推进单极性阻变存储器的实用化进程。
附图说明
图1是本发明的高稳定单极性阻变存储器的结构示意图；
图2是图1所示器件内部形成的具有尖端结构的导电细丝的示意图；
图3是本发明实施例1中的阻变存储器初始态的截面透射电镜照片；
图4是本发明实施例1中的阻变存储器连续50次擦写过程的电压-电流曲线图；
图5是对比实施例中的阻变存储器初始态的截面透射电镜照片；
图6是对比实施例中的阻变存储器连续50次擦写过程的电压-电流曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，如图1所示，阻变存储器具有Ta/Ta2O5/Pt三层膜结构，自下而上依次为二氧化硅(SiO2)绝缘基片层、铂(Pt)惰性阳极层、五氧化二钽(Ta2O5)存储介质层和钽(Ta)活性阴极层。如图1所示，由于Ta具有化学活性，对氧具有高亲和力，在Ta阴极层与Ta2O5存储介质层之间通过自发氧化还原反应生成了界面层，如图3所示，Ta阴极层与Ta2O5存储介质层之间由于发生氧化还原反应而界面模糊。
该阻变存储器的制备过程如下：
第一步：使用丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗SiO2绝缘基片。
第二步：采用直流磁控溅射在SiO2绝缘基片表面沉积Pt惰性阳极，沉积气氛、功率和温度分别为0.4Pa氩气、20W和室温。
第三步：基于Ta2O5陶瓷靶材，采用射频磁控溅射在Pt惰性阳极层表面沉积10纳米厚的Ta2O5存储介质层，沉积气氛、功率和温度分别为0.4Pa氩气、60W和室温。
第四步：采用直流磁控溅射在Ta2O5存储介质层表面沉积Ta活性阴极，沉积气氛、功率和温度分别为0.4Pa氩气、20W和室温。
利用半导体参数分析仪，在电压扫描模式下对该阻变存储器的Pt惰性阳极和Ta活性阴极之间施加电压，由于界面层的作用，氧化物存储介质中形成的导电细丝呈锥形，在阳极附近具有尖端结构，如图2所示。该单极性阻变存储器连续50次擦写过程的电压-电流曲线如图4所示，表明该阻变存储器具有高稳定的单极性阻变行为。
对比实施例：
本对比实施例中，如图1所示，阻变存储器具有Pt/Ta2O5/Pt三层膜结构，自下而上依次为二氧化硅(SiO2)绝缘基片层、铂(Pt)惰性阳极层、五氧化二钽(Ta2O5)存储介质层和铂(Pt)惰性阴极层。由于Pt具有化学惰性，不易被氧化，因此如图5所示，Pt惰性阴极层与Ta2O5存储介质层之间界面清晰，与图3形成对比。
该阻变存储器的制备过程如下：
第一步：与实施例1中的步骤一完全相同；
第二步：与实施例1中的步骤二完全相同；
第三步：与实施例1中的步骤三完全相同；
第四步：采用直流磁控溅射在Ta2O5存储介质上沉积Pt惰性阴极，沉积气氛、功率和温度分别为0.4Pa氩气、20W和室温。
利用半导体参数分析仪，在电压扫描模式下对该阻变存储器的Pt惰性阳极和Pt惰性阴极之间施加电压，该单极性阻变存储器连续50次擦写过程的电压-电流曲线如图6所示，表明该阻变存储器具有单极性阻变行为，但是阻变稳定性较差。
对比图4和图6可以看出，实施例1中的阻变存储器显示出远高于对比实施例中的阻变存储器的单极性阻变稳定性，这是由于Ta具有化学活性，与Ta2O5存储介质在界面处发生反应而使得导电细丝具有尖端结构，从而抑制了导电细丝在Ta2O5层不同位置处的随机形成与断开，最终提高了单极性阻变稳定性。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或等同方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种高稳定的单极性阻变存储器，在绝缘基体表面具有“阳极/存储介质/阴极”三层膜结构，其特征在于，阳极层位于绝缘基体表面，是具有化学惰性的金属；存储介质层位于阳极层表面，是具有电阻转变性质的氧化物；阴极层位于存储介质层表面，是具有化学活性的金属，阴极层与存储介质层之间通过自发氧化还原反应生成界面层；
工作状态时，阳极层与阴极层之间施加电压，阳极层连接电源正极，阴极层连接电源负极。
2.如权利要求1所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，工作状态时，阳极层与阴极层之间施加电压，由于界面层的作用，氧化物存储介质中形成的导电细丝在阳极附近具有尖端结构，电压发生变化引起的导电细丝形成和断开发生在该尖端附近。
3.如权利要求2所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，导电细丝呈锥形。
4.如权利要求1所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述存储介质层的厚度为5纳米～15纳米。
5.如权利要求1所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述阳极材料对氧元素具有化学惰性。
6.如权利要求5所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述阳极材料包括铂、金、钨中的一种或者几种的混合材料。
7.如权利要求1所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述存储介质层材料是绝缘或半导体金属氧化物。
8.如权利要求7所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述存储介质层材料是三氧化二铝、二氧化钛、五氧化二钒、氧化镍、氧化锌、二氧化锆、五氧化二铌、三氧化钼、二氧化铪、五氧化二钽、三氧化钨中的一种或者几种的混合材料。
9.如权利要求1所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述阴极材料具有高氧亲和力。
10.如权利要求9所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述阴极材料是铝、钛、铪、钽中的一种或者几种的混合材料。
11.如权利要求1所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述阳极层的制备方法包括磁控溅射、热蒸发和电子束蒸发中的一种或者几种的组合。
12.如权利要求1所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述阴极层的制备方法包括磁控溅射、热蒸发和电子束蒸发中的一种或者几种的组合。
13.如权利要求1所述的高稳定的单极性阻变存储器，其特征在于，所述存储介质层的制备方法包括水热法、热氧化、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发和脉冲激光沉积中的一种或者几种的组合。
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