CN109494301A - 一种提高阻变存储器稳定性的方法及其阻变存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用新型二维材料提高阻变存储器稳定性的实现方法,是将石墨烯薄膜作为阻挡层嵌入阻变存储薄膜和导电电极之间。本发明中将石墨烯薄膜作为阻挡层嵌入阻变存储薄膜和导电电极之间,石墨烯可视作氧势垒,在氧离子扩散过程中防止其进一步移入顶部金属电极,随着阻变循环的增加,因为没有电极氧化还原反应的影响,阻变存储层界面附近的氧化还原过程变得稳定,能够使得阻变存储器性能参数变得更加稳定。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术以及存储器器件领域,具体涉及一种提高阻变存储器稳定性的方法及其阻变存储器。
背景技术
随着移动智能终端、云计算、物联网、大数据等新信息技术的快速发展与普及,消费市场对于非挥发性存储器的需求越来越大。其最大的优点是在无电源供应时所存储的数据仍能被长时间保持下来,它既有ROM的特点,又有很高的存取速度。随着数字高科技的飞速发展,对存储器的性能也提出了更高的要求,如高速度、高密度、低功耗、长寿命和更小的尺寸等。基于电荷存储机制的非挥发性浮栅存储器(Flash),作为目前非挥发性半导体存储器市场中的主流产品和代表性技术,由于其编程电压较高、读写速度较慢、功耗较大,及隧穿氧化层厚度减小会引起漏电流增加等问题,随着半导体技术工艺节点的不断提升,Flash存储器在可缩小性、功耗、可靠性等方面遇到的技术瓶颈更加严峻。近年来半导体业界、科研界和学术界,采用基于电阻值变化作为信息存储方式,实现了以磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)等为代表的新型非挥发性存储器。其中,阻变存储器具有可缩小性好、功耗低、操作速度快、非破坏性读取以及与CMOS工艺兼容等优点,因此备受半导体产业界的关注。RRAM器件作为一种新型的非挥发性存储器,是以薄膜材料的电阻可在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间实现可逆转换为基本工作原理并作为记忆的方式。
阻变存储器的材料体系多种多样,包括PrCaMnO3,锆酸锶(SrZrO3)、钛酸锶(SrTiO3)等钙钛矿复杂氧化物,高分子有机材料以及简单过渡族金属的氧化物如TiO2、NiO、ZrO2、HfO2、WO3等。与其它材料相比,过渡族金属氧化物由于具有结构简单,制造成本低,以及和现有CMOS工艺兼容的优点受到格外的关注。RRAM器件结构简单,可扩展性好,MIM三层的常规RRAM堆叠结构具有与现有制造技术兼容的优点。最近,人们通过在金属氧化物薄膜和导电电极之间附加插入层来改善器件的性能,这里,附加的插入层可以用作缓冲层或阻挡层,以减少扩散现象并保证器件寿命的延长。目前发现的一些插入层材料,如Al2O3,有助于平滑局部氧迁移,使电阻参数更稳定。石墨烯作为一种新型二维材料,具有出色的不渗透物理性能以及高电子和导热性,基于这些优点,它可以用作理想的阻挡层,有效地阻挡穿透而不影响整个器件的电性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种提高阻变存储器稳定性的方法,本发明公开了一种利用新型二维材料提高阻变存储器稳定性的实现方法。
本发明的另一目的是提供了使用上述提高阻变存储器稳定性的方法的阻变存储器。
为解决本发明的技术问题采用如下技术方案。
一种提高阻变存储器稳定性的方法,上电极与下电极之间设有阻变存储层,在阻变存储层与上电极之间嵌入一层石墨烯薄膜阻挡层。
使用提高阻变存储器稳定性的方法的阻变存储器,包括衬底,在所述衬底上设置下电极,所述下电极上设置阻变存储层,所述阻变存储层由金属氧化物构成,所述阻变存储层上设置阻挡层,所述阻挡层由石墨烯薄膜构成,所述阻挡层上设置上电极。
所述下电极和上电极的厚度均为5-50nm。
所述阻挡层的厚度为1-5nm。
所述阻变存储层的厚度为3-30nm。
所述阻变存储层由金属氧化物WOX,1≤X≤3或HfOX,1≤X≤2或TiO2过渡族金属氧化物薄膜中的其中一种制成。
所述下电极和上电极均由Cu或Ag或Pt或Au或Al或Ti的金属电极或包括TiN或ITO或IZO的导电金属化合物的其中一种制成。
所述衬底由二氧化硅或掺杂二氧化硅或其他绝缘材料的其中一种制成。
本发明公开了一种利用新型二维材料提高阻变存储器稳定性的实现方法,是将石墨烯薄膜作为阻挡层嵌入阻变存储薄膜和导电电极之间。在阻变过程中,离子的扩散效应不容忽视,特别是在强电场下,在氧空位导电细丝主导的器件中,不可逆扩散会影响导电细丝的形成,可能导致阻变功能层污染,降低整个器件的均匀性和耐久性,附加插入层可以用作缓冲层或阻挡层,以减少扩散现象,而石墨烯因为其出色的不渗透性物理性能以及高电子和导热性,可以作为理想的阻挡层,有效地阻挡扩散而不影响整个器件的电性能。对于常规MIM三层结构的非易失性阻变存储器,因阻变循环会增强活性电极的氧化还原化学反应,使得阻变以可逆的方式变得不稳定,导致观高、低阻态和电流都不稳定。本发明中将石墨烯薄膜作为阻挡层嵌入阻变存储薄膜和导电电极之间,石墨烯可视作氧势垒,在氧离子扩散过程中防止其进一步移入顶部金属电极,随着阻变循环的增加,因为没有电极氧化还原反应的影响,阻变存储层界面附近的氧化还原过程变得稳定,能够使得阻变存储器性能参数变得更加稳定。
附图说明
图1为本发明的阻变存储器的结构示意图。
图2为理想情况下具有单极转换特性的阻变存储器的电流-电压特性曲线示意图。
图3为理想情况下具有双极转换特性的阻变存储器的电流-电压特性曲线示意图。
图4为根据常规非易失性阻变存储器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例并参照附图对本发明进行详细说明。此处提供的附图及其描述只是用于例示本发明的实施例,而不是用于限制本发明的范围。在此发明的实施例图示中,表示只是示意性的,并不严格反映器件的真实尺寸比例。
一种提高阻变存储器稳定性的方法,是在位于上电极与下电极之间的阻变存储层与上电极之间嵌入一层石墨烯薄膜。
图4为常规非易失性阻变存储器的结构示意图。该结构的阻变存储器包括:衬底301;设置在衬底301上的下电极302;设置在下电极302上的阻变存储层,该存储层由金属氧化物303构成;以及设置在电阻转变存储层上的上电极304。
图1为本发明的阻变存储器的结构示意图。一种阻变存储器,包括衬底401,在所述衬底401上设置下电极402,下电极402设置阻变存储层403,阻变存储层403金属氧化物构成,阻变存储层403上设置阻挡层404,阻挡层404由石墨烯薄膜构成,阻挡层404上设置上电极405。下电极层402和上电极405的厚度均为5-50nm。阻挡层404的厚度为1-5nm。
阻变存储层403的厚度为3-30nm。其中阻变存储层403由金属氧化物WOX,1≤X≤3或HfOX,1≤X≤2或TiO2过渡族金属氧化物薄膜中的其中一种制成。下电极402和上电极405均由Cu或Ag或Pt或Au或Al或Ti或TiN或ITO或IZO的其中一种制成。衬底401由二氧化硅或掺杂二氧化硅或其他绝缘材料的其中一种制成。
图2、图3展示了理想情况下单极及双极转换特性的阻变存储器的电流-电压特性曲线示意图。而本发明中的阻变存储器表现出双极转换特性,电阻转变机制主要基于氧离子在顶部电极/氧化物界面附近迁移,产生氧空位,这与通过金属氧化物阻变层的缺陷诱导路径有关。当施加偏压时,氧离子从其原始位置逸出,留下氧空位,这将逐渐形成导电通道并漂移到阳极/金属氧化物界面,即SET过程;然后以相反的偏压发生逆向反应,氧离子迁移回来,氧化层内的电通道断,即RESET过程。而在整个电阻转变过程中,嵌入的石墨烯层充当的角色如下:在SET过程中,氧离子从氧化物层逸出并横向扩散,直到它们被石墨烯层捕获,与石墨烯薄膜表面上的悬挂键缺陷形成共价键。在RESET过程中,由于施加的电场具有相反的极性,氧离子移回氧化层。这样石墨烯层就作“氧阻挡层”以防止氧离子扩散到顶部电极中,避免了活性电极氧化还原反应对阻变过程的影响,阻变功能层界面附近的氧化还原过程变得稳定,因而阻变存储器性能参数也变得稳定,同时因石墨烯自身特性以及其与金属氧化物之间的相互作用导致得器件内置高串联电阻,有望降低器件的操作电流和功耗。综上所述,本发明中提供的阻变存储器不仅提高了器件的稳定性,并且在一定程度上能够降低器件的操作电流和功耗。
上述阻变存储器可以利用传统的射频磁控溅射方法,电子束蒸发,直流溅射法,原子层沉积,低压化学气相沉积等工艺来制造。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种提高阻变存储器稳定性的方法,其特征在于:上电极与下电极之间设有阻变存储层,在阻变存储层与上电极之间嵌入一层石墨烯薄膜阻挡层。
2.根据权利要求1所述的一种使用提高阻变存储器稳定性的方法的阻变存储器,其特征在于:包括衬底(401),在所述衬底(401)上设置下电极(402),所述下电极(402)上设置阻变存储层(403),所述阻变存储层(403)由金属氧化物构成,所述阻变存储层(403)上设置阻挡层(404),所述阻挡层(404)由石墨烯薄膜构成,所述阻挡层(404)上设置上电极(405)。
3.根据权利要求2所述的阻变存储器,其特征在于:所述下电极(402)和上电极(405)的厚度均为5-50nm。
4.根据权利要求2或3所述的阻变存储器,其特征在于:所述阻挡层(404)的厚度为1-5nm。
5.根据权利要求4所述的阻变存储器,其特征在于:所述阻变存储层(403)的厚度为3-30nm。
6.根据权利要求2或4所述的阻变存储器,其特征在于:所述阻变存储层(403)由金属氧化物WOX,1≤X≤3或HfOX,1≤X≤2或TiO2过渡族金属氧化物薄膜中的其中一种制成。
7.根据权利要求6所述的阻变存储器,其特征在于:所述下电极(402)和上电极(405)均由Cu或Ag或Pt或Au或Al或Ti的金属电极或包括TiN或ITO或IZO的导电金属化合物的其中一种制成。
8.根据权利要求2或7所述的阻变存储器,其特征在于:所述衬底(401)由二氧化硅或掺杂二氧化硅或其他绝缘材料的其中一种制成。
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2018
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