CN110783457A - 一种改善阻变存储器一致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重离子微孔膜改善阻变存储器一致性的实现方法，是将重离子微孔膜作为控制层嵌入阻变存储层和导电电极之间。在阻变存储器件发生电阻转变的过程中，对器件施加电压以后，在电场的作用下，活性金属电极发生氧化还原反应在阻变存储层中所形成金属导电细丝的形成与破灭时引起电阻转变的主要原因。由于导电细丝的形成与破灭是随机的，因此阻变参数具有很大的离散性，影响阻变存储器的一致性。

Description

一种改善阻变存储器一致性的方法及其阻变存储器
技术领域
本发明属于微电子技术以及存储器器件技术领域，具体涉及一种改善阻变存储器一致性的方法及其阻变存储器。
背景技术
随着手机、笔记本电脑等可携式个人设备的逐渐流行，移动智能终端、云计算、物联网、大数据、5G网络等新信息技术的快速发展与普及，非挥发性存储器在半导体行业中扮演着越来越重要的角色。目前市场主流的非挥发性存储器是基于电荷存储机制的浮栅存储器（Flash）。然而，随着半导体工艺技术节点的不断提升，Flash存储器在器件尺寸不断缩小化过程中存在操作电压大、操作速度慢、耐久力不够好以及记忆时间不够长等缺点，这在很大程度上限制了其在市场以及高科技领域的广泛应用。因此，开发新一代的存储器技术就显得尤为迫切。
基于电脉冲触发可逆电阻转变效应的阻变存储器作为一种全新的存储概念，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。在适当电压的作用下，器件的电阻会在高阻态和低阻态之间相互转换，从而能够实现‘0’和‘1’的存储。由于其具有结构简单、制备工艺流程少、操作速度快、功耗低、可缩小性好、存储密度高、易于3D集成等优势，被认为是下一代非挥发性存储器的主流技术之一。经过多年的努力，研究者在阻变存储器的研究领域开展了大量的研究工作并取得了一些创新性的成果，在器件性能改善上取得了较大的进展，但是阻变存储器仍然存在的一个主要问题是，阻变存储器件电阻转变参数的离散性较大。电阻转变参数的离散性较大一方面会影响外围电路对两种不同阻态的辨别，另一方面增加了外围电路设计的难度。因此，如何改善阻变存储器电阻转变参数的离散性是目前急需解决的问题。
大量研究发现，导电细丝的形成与破灭是阻变存储器实现电阻转变的主要机制。由于导电细丝的形成与破灭具有随机性，因此在多次重复的操作下，器件高低阻态之间转变所需要的操作电压以及高低阻态的电阻值的离散性较大。鉴于此，如果能够有效控制导电细丝的形成过程，降低导电细丝形成与破灭的随机性，能够有效改善阻变参数的一致性。
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利用重离子微孔膜改善阻变存储器一致性的方法。
本发明的另一目的是提供了使用上述改善阻变存储器一致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。
一种改善阻变存储器一致性的方法，包括上电极和下电极，所述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重离子微孔膜的控制层。
利用上述改善阻变存储器一致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控制层，所述控制层由重离子微孔膜构成，所述控制层上设置上电极。
所述重离子微孔膜的控制层由聚对苯二甲酸乙二醇酯PET或聚碳酸酯PC中的其中一种制成。
所述控制层的厚度为10-200nm。
所述下电极和上电极的厚度均为10-200nm。
所述阻变存储层的厚度为5-50nm。
所述阻变存储层由过渡族金属氧化物薄膜中的氧化硅或氧化钽或氧化铪或氧化锆其中一种制成。
所述衬底由二氧化硅或掺杂二氧化硅的绝缘材料制成。
所述下电极由Pt或Au或W的金属电极或包括TiN或TaN或ITO的导电金属化合物的其中一种制成。
所述上电极由Cu或Ni或Ag的活性金属电极的其中一种制成。
本发明公开了一种利用重离子微孔膜改善阻变存储器一致性的实现方法，是将重离子微孔膜作为控制层嵌入阻变存储层和导电电极之间。在阻变存储器件发生电阻转变的过程中，对器件施加电压以后，在电场的作用下，活性金属电极发生氧化还原反应在阻变存储层中所形成金属导电细丝的形成与破灭时引起电阻转变的主要原因。由于导电细丝的形成与破灭是随机的，因此阻变参数具有很大的离散性，影响阻变存储器的一致性。本发明中将重离子微孔膜嵌入阻变存储层和导电电极之间，重离子微孔膜可视作控制层，在器件发生电阻转变的过程中，可以有效控制金属导电细丝的形成位置，降低导电细丝形成与破灭的随机性，进而能够有效地改善阻变存储器的一致性。
附图说明
图1为现有阻变存储器的结构示意图；
图2为本发明的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。
图1为现有阻变存储器的结构示意图，该结构的阻变存储器包括：衬底1011；设置在衬底1011上的下电极1021；设置在下电极1021上的阻变存储层，该存储层由金属氧化物1031构成；以及设置在电阻转变存储层上的上电极1041。
一种改善阻变存储器的一致性的方法，是在位于上电极205与下电极202之间的阻变存储层与上电极之间嵌入一层重离子微孔膜的控制层204。
图2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201，在所述衬底201上设置下电极202，下电极202上设置阻变存储层203，阻变存储层203金属氧化物构成，阻变存储层203上设置控制层204，控制层204由重离子微孔膜构成，控制层204上设置上电极205。下电极层202和上电极205的厚度均为10-200nm。控制层204的厚度为10-200nm。阻变存储层203的厚度均为5-50nm。
其中衬底201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。
阻变存储层203由金属氧化物氧化硅，或氧化钽，或氧化铪，或氧化锆过渡族金属氧化物薄膜中的其中一种制成。可以采用电子束蒸发、磁控溅射、化学汽相淀积、原子层淀积、热蒸发等工艺来制造。
上电极205由Cu或Ni或Ag的活性金属电极的其中一种制成。下电极202由Pt或Au或W的金属电极或包括TiN或TaN或ITO的导电金属化合物的其中一种制成。上电极205、下电极202均可以采用电子束蒸发、磁控溅射、热蒸发等工艺来制造。
构成控制层的重离子微孔膜204由聚对苯二甲酸乙二醇酯PET或聚碳酸酯PC中的其中一种经过重离子辐照制成。具体制备方法步骤如下：第一步，采用旋涂或喷墨打印等工艺制备10-200nm的聚对苯二甲酸乙二醇酯PET或聚碳酸酯PC薄膜；第二步，利用重离子（S离子、Br离子、Kr离子、Ar离子等）对苯二甲酸乙二醇酯PET或聚碳酸酯PC薄膜进行辐照，离子注入量为105-109/cm2；第三步，将重离子束辐照过的苯二甲酸乙二醇酯PET或聚碳酸酯PC薄膜用紫外灯（紫外灯功率为50mw-50W）敏化，紫外灯照射时间为1-8小时；第四步，在NaOH溶液里进行蚀刻，NaOH浓度为0.5-10mol/L，温度为30-100℃，刻蚀的时间为10分钟-200分钟。经过蚀刻以后会在苯二甲酸乙二醇酯PET或聚碳酸酯PC薄膜表面形成纳米量级的微孔。
本发明中的阻变存储器，由于采用了纳米量级的微孔膜作为控制层，阻变存储器在发生电阻转变过程中，金属导电细丝的形成与破灭会被限制在微孔的局域内，降低导电细丝形成与破灭的随机性，进而能够有效地改善阻变存储器的一致性。
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 (10)

1.一种改善阻变存储器一致性的方法，包括上电极和下电极，所述上电极与下电极之间设有阻变存储层，其特征在于：在阻变存储层与上电极之间嵌入一层重离子微孔膜的控制层。
2.使用根据权利要求1所述的一种改善阻变存储器一致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，其特征在于：所述阻变存储层（203）由金属氧化物构成，所述阻变存储层（203）上设置控制层（204），所述控制层（204）由重离子微孔膜构成，所述控制层（204）上设置上电极（205）。
3.根据权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于：所述重离子微孔膜的控制层（204）由聚对苯二甲酸乙二醇酯PET或聚碳酸酯PC中的其中一种制成。
4.根据权利要求3所述的阻变存储器，其特征在于：所述控制层（204）的厚度为10-200nm。
5.根据权利要求3或4所述的阻变存储器，其特征在于：所述下电极（202）和上电极（205）的厚度均为10-200nm。
6.根据权利要求5所述的阻变存储器，其特征在于：所述阻变存储层（203）的厚度为5-50nm。
7.根据权利要求6所述的阻变存储器，其特征在于：所述阻变存储层（203）由过渡族金属氧化物薄膜中的氧化硅或氧化钽或氧化铪或氧化锆其中一种制成。
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（201）由二氧化硅或掺杂二氧化硅的绝缘材料制成。
9.根据权利要求8所述的阻变存储器，其特征在于：所述下电极（202）由Pt或Au或W的金属电极或包括TiN或TaN或ITO的导电金属化合物的其中一种制成。
10.根据权利要求2或9所述的阻变存储器，其特征在于：所述上电极（205）由Cu或Ni或Ag的活性金属电极的其中一种制成。
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