CN111129294A - 一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器及其制备方法，属于微电子器件领域。所述阻变存储器的器件结构包括惰性底电极和顶电极金属钨，以及介于二者之间的自供电层和阻变层。其中，自供电层是经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜，薄膜内部含有大量氧官能团；当顶电极金属钨沉积于非晶碳薄膜上时，在界面位置金属钨会与氧官能团结合，自发形成阻变层WOx薄膜。由于器件高阻态与低阻态出现的同时伴随着非晶碳薄膜中氧官能团梯度的减小和增加，利用湿度监测自生电压的高值与低值来读取器件的电阻存储状态。该发明有助于替代存储器使用电压读取存储状态的传统方式，提供了一种湿度自供电读取存储状态的新方式。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件领域，涉及阻变存储器(RRAM)、自供电电子器件，具体涉及一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器及其制备方法。
背景技术
随着大数据时代的到来，我们每天利用电子设备进行信息的交流及存储，随着传统闪存器件的自身尺寸限制，将无法继续实现更大集成化制备，因此亟需发展更多的新型存储器，如铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)、阻变存储器(RRAM)，在这些存储器中，RRAM因其自身简单的金属-绝缘层-金属“三明治”结构、高存储密度、读写速度快、低功耗的特点吸引了人们的注意。然而，随着存储器需求量的增加，信息写入/擦除及信息读取也会导致的巨大的能耗。其中，信息读取作为存储器运行中不可缺少的环节，往往采用小电压读取电阻的方式进行，其能耗也是不可忽略的。若能以自供电的方式实现对RRAM器件电阻状态的读取，将能够避免器件的读取功耗，有助于节约存储器运行能耗。因此，研发自供电读取电阻态阻变存储器件具有极大的潜在应用及价值。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器及其制备方法。所述阻变存储器的器件结构包括惰性底电极和金属钨顶电极，以及介于二者之间的自供电层和阻变层。阻变存储器的高阻态与低阻态能够通过湿度监测自生电压的高值与低值所得到。进一步，器件的电阻态可以通过限制电流控制，相应的自生电压也发生变化，从而实现多级阻态的自供电读取。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器的器件结构由下至上依次包括惰性底电极、自供电层、阻变层和顶电极金属钨；其中，自供电层是经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜，薄膜内部含有氧官能团，氧官能团在薄膜纵向由上至下呈梯度减小分布；所述阻变层为WOx薄膜，当顶电极金属钨沉积于经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜上时，在界面位置金属钨与氧官能团结合，自发形成阻变层。
所述阻变存储器的自供电读取多级电阻态操作原理如下：在高湿度条件下，具有氧官能团梯度的非晶碳薄膜能产生自生电压，其电压大小与氧官能团梯度成正比关系；在顶电极施加负向电压，会导致WOx薄膜中氧离子的迁移到非晶碳薄膜中，实现器件由高阻态向低阻态转变；反之，反向电压会诱导氧离子由非晶碳薄膜迁移到WOx薄膜，实现低阻态向高阻态转变。由于器件高阻态与低阻态出现的同时伴随着非晶碳薄膜中氧官能团梯度的减小和增加，因此可以利用湿度监测自生电压的高值与低值来读取器件的电阻存储状态。进一步，阻变层与自供电层之间的氧离子交换量可由限制电流控制，能够实现多级阻态的自供电读取。
其中，所述的惰性底电极为Pt。
其中，所述的自供电层厚度为90-110nm。优选100nm。
其中，所述阻变层厚度为8-12nm。优选10nm。
本发明的一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器的制备方法如下：
步骤一：将惰性底电极金属衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗8～15分钟，用氮气吹干；
步骤二：将衬底放置在磁控溅射仪腔室内利用石墨靶材进行溅射镀膜，纯氩气气氛、压强1Pa、温度340-360℃，薄膜厚度为90-110nm；
步骤三：将步骤二生长得到的非晶碳薄膜用等离子体处理机在氧气的环境下处理，处理的功率为40～60W；
步骤四：将步骤三处理完的非晶碳薄膜，放入到磁控溅射仪中，利用金属钨靶进行溅射镀膜，生长厚度为60-100nm；WOx薄膜自发氧化生成，厚度为8-12nm。
本发明的工作原理如下：
所述阻变存储器的器件结构包括惰性底电极和顶电极金属钨，以及介于二者之间的自供电层和阻变层。其中，自供电层是经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜，薄膜内部含有大量氧官能团，氧官能团在薄膜纵向由上至下呈梯度减小分布；当顶电极金属钨沉积于非晶碳薄膜上时，在界面位置金属钨会与氧官能团结合，自发形成阻变层WOx薄膜。
自供电层工作原理：非晶碳层在氧等离子体处理后，氧官能团在薄膜纵向由上至下呈梯度减小分布。在高湿度环境下，水分子会发生毛细现象进入器件内部与非晶碳薄膜中的氧官能团进行水合作用，自发进行电离生成氢离子(H+)，这些氢离子(H+)在纵向方向上氧官能团梯度作用下，由浓度高的位置向浓度低的位置定向移动，最终形成自生电流和电压。
阻变层的电阻转变及自供电读取电阻态原理：当顶电极金属钨沉积于经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜上时，由于钨原子易于氧化，非晶碳薄膜表面的含氧键被打破，会在金属W电极及非晶碳薄膜的界面处形成一层大约10nm厚度的氧化钨(WOx)。与此同时，非晶碳薄膜中的氧官能团浓度梯度降低。由于氧化钨(WOx)绝缘层的存在，器件的初始阻态为高阻态，在用SMU进行直流扫描测试中，在W电极上施加反向电压，那么氧化钨(WOx)层中的氧离子会在电场的驱动下向下迁移，留下高导电性的氧空位，从而导致器件由高阻态转变为低阻态，即信息写入，此刻氧化钨(WOx)层的厚度变小。而从氧化钨层中向下迁移的氧离子进入到非晶碳薄膜中，使得非晶碳薄膜氧官能团梯度增加。在高湿度环境中，自供电层会产生一个较大的自生电压。并且阻变过程中的限制电流越大，会使迁移到非晶碳薄膜中的氧越多，从而产生的自生电压越大。
当对器件进行擦除过程中，对W电极施加正向电压，非晶碳中的氧离子就会从非晶碳薄膜中向上迁移，与氧化钨(WOx)层中的氧空位进行复合，重新回到高阻态，即信息擦除。此刻氧化钨(WOx)层厚度变大，且非晶碳薄膜氧官能团梯度减小，湿度刺激产生的自生电压变小。
本发明具有以下有益效果：本发明通过等离子体处理非晶碳薄膜的方法制备自供电层，通过自发氧化法制备WOx阻变层，重要的是能够通过氧离子的交换将自供电层与阻变层整合，从而阻变存储器的读取方式过程中减少了施加电信号的步骤，为阻变存储器无电信号读取方式扩展了一种新思路。
附图说明
图1：本发明提出的一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器制备流程图。
图2：本发明中自供电读取多级电阻态的阻变存储器的完整结构图。
图3：本发明器件不同限制电流下的I-V图像。
图4：本发明器件不同限制电流调控后在相对空气湿度为35％的环境下的自生电流保持图像。
图5：本发明器件不同限制电流情况下高低阻分布图。
图中：200金属Pt底电极；201非晶碳薄膜；202氧等离子体处理后生成的碳氧键；203钨电极与表面含碳氧键的非晶碳薄膜自然生成的氧化钨(WOx)层；204金属钨顶电极。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本发明作详细解释。
图1为本发明实施例中器件制备流程图，具体制作工艺如下：
步骤100：如图2所示，对金属Pt 200衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10分钟，用氮气吹干。
步骤101：将衬底放置在磁控溅射仪腔室内利用石墨靶材(99.99％纯度)进行溅射镀膜，功率100W、纯氩气气氛、压强1Pa、温度350℃，薄膜厚度为100nm左右；
步骤102：将步骤101中的非晶碳薄膜用等离子体处理机在氧气的环境下处理，处理的功率为40W，时间为2.5min。
步骤103：将步骤102处理完的非晶碳薄膜放入到磁控溅射仪中，利用金属钨靶进行溅射镀膜，条件为室温、功率100W、压强1Pa，并且在蒸镀的过程中利用100um孔径的金属掩膜版进行遮掩，生长厚度为80nm，最终形成多个且独立的顶电极；WOx薄膜自发氧化生成，厚度约为10nm。得到如图2所示的本发明器件完整结构。
实施例中，本发明器件的I-V运行曲线如图3所示，本存储器件可以控制不同的限制电流进行运行，从而可以通过控制限制电流的不同来调控非晶碳薄膜中碳氧键的量。
实施例中，本发明器件在不同限制电流调控后，在相对空气湿度为35％的环境下生成不同自生电压的保持图像如图4所示，并且保持特性十分稳定。
实施例中，本发明器件在不同限制电流的调控下，高阻和低阻的分布如图5所示，器件高低阻态相互交迭并且开关比(高阻/低阻)有着较大的窗口值。
上述实施例表明，本发明提出的基于非晶碳薄膜材料实现自生电读取阻变存储器，制备工艺简单，阻变参稳定，可以产生不同大小的自生电流，器件工作稳定性高。
Claims (7)
1.一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器的器件结构由下至上依次包括惰性底电极、自供电层、阻变层和顶电极金属钨；其中，自供电层是经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜，薄膜内部含有氧官能团，氧官能团在薄膜纵向由上至下呈梯度减小分布；所述阻变层为WOx薄膜，当顶电极金属钨沉积于经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜上时，在界面位置金属钨与氧官能团结合，自发形成阻变层。
2.根据权利要求1所述的自供电读取多级电阻态的阻变存储器，其特征在于，所述的惰性底电极为Pt。
3.根据权利要求1所述的自供电读取多级电阻态的阻变存储器，其特征在于，所述的自供电层厚度为90-110nm。
4.根据权利要求1所述的自供电读取多级电阻态的阻变存储器，其特征在于，所述的自供电层厚度为100nm。
5.根据权利要求1所述的自供电读取多级电阻态的阻变存储器，其特征在于，所述阻变层厚度为8-12nm。
6.根据权利要求1所述的自供电读取多级电阻态的阻变存储器，其特征在于，所述阻变层厚度为10nm。
7.权利要求1～6任一所述的自供电读取多级电阻态的阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将惰性底电极金属衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗8～15分钟，用氮气吹干；
步骤二：将衬底放置在磁控溅射仪腔室内利用石墨靶材进行溅射镀膜，纯氩气气氛、压强1Pa、温度340-360℃，薄膜厚度为90-110nm；
步骤三：将步骤二生长得到的非晶碳薄膜用等离子体处理机在氧气的环境下处理，处理的功率为40～60W；
步骤四：将步骤三处理完的非晶碳薄膜，放入到磁控溅射仪中，利用金属钨靶进行溅射镀膜，生长厚度为60-100nm；WOx薄膜自发氧化生成，厚度为8-12nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20200508 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |