CN111628075A - 一种实现多值非挥发存储的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种实现多值非挥发存储的方法，通过提升阻变存储器的高低态阻值比，以及增加多值存储时各阻态的区分度来优化其多值非挥发存储性能；阻变存储器的电极之间设有可稳定所述阻变存储器高阻态工况导电通路的多层阻变介质；多层阻变介质包括第一介质层和第二介质层；所述第一介质层与第二介质层的界面间存在势垒；当阻变存储器处于高阻态工况时，所述势垒提升电阻值；第一介质层中分布有可稳定所述阻变存储器低阻态工况导电通路的金属纳米颗粒；当阻变存储器处于低阻态工况时，金属纳米颗粒降低电阻值；本发明通过在存储介质中嵌入纳米颗粒，实现阻变存储器各阻态的区分度的提高并保证器件的数据存储能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体存储技术领域，尤其是一种实现多值非挥发存储的方法。
背景技术
近年半导体技术发展迅速，全球数据总量不断增长，人们希望通过研发新型存储器来满足日益增长的需求。阻变存储器具有结构简单、擦写速度快、与现有工艺兼容等优势，是下一代存储器件最具潜力的候选者之一。其中，具有多值存储能力的阻变器件可有效提高存储密度，逐渐成为研究的重点。
器件进行多值存储时需要准确的写入和读取各存储状态的数据，这要求阻态间切换时具有较大的阻值比，较大的高低态阻值比将为存储多个电阻状态提供广阔的操作空间，从而提升临近阻态的区分度。器件在各状态下的数据保存时间，同样是衡量非挥发性存储器的关键因素。因此，研究器件的上述两种性能有益于多值存储的发展。
目前，研究人员已发现了大量阻变材料并提出了多种改善阻变器件性能的方法，但同时提升多种关键性能仍较为困难。
发明内容
本发明提出一种实现多值非挥发存储的方法，通过在存储介质中嵌入纳米颗粒，实现阻变存储器各阻态的区分度的提高并保证器件的数据存储能力。
本发明采用以下技术方案。
一种实现多值非挥发存储的方法，用于阻变存储器，所述方法通过提升阻变存储器的高低态阻值比，以及增加多值存储时各阻态的区分度来优化其多值非挥发存储性能；所述阻变存储器的电极之间设有可稳定所述阻变存储器高阻态工况导电通路的多层阻变介质；所述多层阻变介质包括第一介质层（03）和第二介质层（02）；所述第一介质层与第二介质层的界面间存在势垒；当阻变存储器处于高阻态工况时，所述势垒控制阻变所述存储器的导电能力以提升高阻态工况时的电阻值；
所述的第一介质层中分布有可稳定所述阻变存储器低阻态工况导电通路的金属纳米颗粒（6）；当所述阻变存储器处于低阻态工况时，所述金属纳米颗粒通过场增强效应促进形成导电细丝以降低低阻态工况时的电阻值。
所述多层阻变介质位于第一端电极（04）和第二端电极（01）之间；所述第一介质层、第二介质层在第一端电极和第二端电极之间以平行层叠方式顺序设置。
所述第一端电极（04）和第二端电极（01）中的至少一个设于衬底（05）上；所述第一端电极、第二端电极、第一介质层、第二介质层均平行于衬底，或均垂直于衬底；所述第一介质层、第二介质层分别形成多层阻变介质的第一介质面、第二介质面；所述第一端电极、第二端电极分别与多层阻变介质的第一介质面、第二介质面电性接触。
所述第一介质层厚度不大于60nm，所述第二介质层厚度不大于40nm；金属纳米颗粒的平均直径在1nm-30nm之间，该金属纳米颗粒形状包括柱形、锥形、圆形、扁圆形或椭球型。
所述衬底的制作材料包括半导体、绝缘体或有机物；制作所述多层阻变介质的材料包括半导体和绝缘体；所述第一端电极、第二端电极、金属纳米颗粒的制作材料包括金属、金属合金、导电化合物。
所述半导体包括SiO2、Si、SiC、Ga、GaAs、Se、ZnS、CdTe、Bi2Te3或As2Te3；所述绝缘体包括SiO2、Al2O3、Ta2O5、HfO2、NiO、ZnO、Fe2O3或SnO2；所述有机物包括硅橡胶、硅树脂、聚乙烯对苯二酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述金属包括Ag、Pt、Au、Mu、Ti或Cu；所述金属合金包括Ti/W、Cu/Ti或Pt/Ti；所述导电化合物包括TiN、TaN或TiW。
所述阻变存储器的制备方法包括以下步骤；
步骤S1：在衬底上形成第一端电极；
步骤S2：在第一端电极上方或左侧形成多层阻变介质，在多层阻变介质的第一介质层嵌入金属纳米颗粒；
步骤S3：在多层阻变介质上方或左侧形成第二端电极。
所述衬底、第一端电极、第二端电极、多层阻变介质和金属纳米颗粒可通过磁控溅射、ALD、溶胶-凝胶法、离子镀、分子束外延工艺制备。
本发明提出的方案中，阻变存储器的性能较为稳定且具有分明的高低态阻值比，通过在切换过程中限流的方式，阻变存储器器件展现出多种区分明显并可长期保存的电阻状态；本发明制备出的器件符合多值存储的需求，有助于进一步提高存储密度。
本发明提供了一种实现多值非挥发存储的方法，器件处于低阻态时，介质层中引入的金属纳米颗粒具有场增强作用促进导电细丝的形成，有效降低了低阻态的电阻值；而器件处于高阻态时，导电细丝断裂，器件导电受介质层间势垒控制，高阻态电阻值将会增加；上述两机制协同作用使器件高低态阻值比显著提高，增加了多值存储时各阻态的区分度。另外，双介质层确保了较高电阻态下导电通路的稳定性，而金属纳米颗粒却保证了较低电阻态下导电通路的稳定性。这两种机制也提高了各阻态的稳定性，有利于获得可长时间保存的存储状态。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的示意图（第一端电极置于衬底上，第一端电极、第二端电极、第一介质层、第二介质层均平行于衬底）；
附图2是本发明的另一示意图（第一端电极、第二端电极、第一介质层、第二介质层均垂直立于衬底上）；
附图3为阻变存储器内有无设置纳米颗粒器件时的I-V曲线对比示意图；
附图4为阻变存储器内有无设置纳米颗粒器件时的电阻状态与限制电流的对比示意图；
附图5为本发明的阻变存储器的四种电阻状态在不同温度下的失效时间及外推法获得的数据保存能力的示意图；
图中：01-第二端电极；02-第二介质层；03-第一介质层；04-第一端电极；05-衬底；06-金属纳米颗粒。
具体实施方式
如图1-5所示，一种实现多值非挥发存储的方法，用于阻变存储器，所述方法通过提升阻变存储器的高低态阻值比，以及增加多值存储时各阻态的区分度来优化其多值非挥发存储性能；所述阻变存储器的电极之间设有可稳定所述阻变存储器高阻态工况导电通路的多层阻变介质；所述多层阻变介质包括第一介质层03和第二介质层02；所述第一介质层与第二介质层的界面间存在势垒；当阻变存储器处于高阻态工况时，所述势垒控制阻变所述存储器的导电能力以提升高阻态工况时的电阻值；
所述的第一介质层中分布有可稳定所述阻变存储器低阻态工况导电通路的金属纳米颗粒06；当所述阻变存储器处于低阻态工况时，所述金属纳米颗粒通过场增强效应促进形成导电细丝以降低低阻态工况时的电阻值。
所述多层阻变介质位于第一端电极04和第二端电极01之间；所述第一介质层、第二介质层在第一端电极和第二端电极之间以平行层叠方式顺序设置。
所述第一端电极04和第二端电极01中的至少一个设于衬底05上；所述第一端电极、第二端电极、第一介质层、第二介质层均平行于衬底，或均垂直于衬底；所述第一介质层、第二介质层分别形成多层阻变介质的第一介质面、第二介质面；所述第一端电极、第二端电极分别与多层阻变介质的第一介质面、第二介质面电性接触。
所述第一介质层厚度不大于60nm，所述第二介质层厚度不大于40nm；金属纳米颗粒的平均直径在1nm-30nm之间，该金属纳米颗粒形状包括柱形、锥形、圆形、扁圆形或椭球型。
所述衬底的制作材料包括半导体、绝缘体或有机物；制作所述多层阻变介质的材料包括半导体和绝缘体；所述第一端电极、第二端电极、金属纳米颗粒的制作材料包括金属、金属合金、导电化合物。
所述半导体包括SiO2、Si、SiC、Ga、GaAs、Se、ZnS、CdTe、Bi2Te3或As2Te3；所述绝缘体包括SiO2、Al2O3、Ta2O5、HfO2、NiO、ZnO、Fe2O3或SnO2；所述有机物包括硅橡胶、硅树脂、聚乙烯对苯二酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述金属包括Ag、Pt、Au、Mu、Ti或Cu；所述金属合金包括Ti/W、Cu/Ti或Pt/Ti；所述导电化合物包括TiN、TaN或TiW。
所述阻变存储器的制备方法包括以下步骤；
步骤S1：在衬底上形成第一端电极；
步骤S2：在第一端电极上方或左侧形成多层阻变介质，在多层阻变介质的第一介质层嵌入金属纳米颗粒；
步骤S3：在多层阻变介质上方或左侧形成第二端电极。
所述衬底、第一端电极、第二端电极、多层阻变介质和金属纳米颗粒可通过磁控溅射、ALD、溶胶-凝胶法、离子镀、分子束外延工艺制备。
实施例1：
一种阻变存储器的结构如图1、图2所示，其中衬底05的材料为玻璃、第一端电极04为180nm的ITO薄膜、第一介质层03为35nm的TaOx薄膜、第二介质层02为15nm的Al2O3薄膜、第二端电极01为220nm的Ti薄膜、金属纳米颗粒06的材料为Cu，平均直径为30nm。
下面详细介绍上述阻变存储器的具体制作步骤：
首先清洗ITO导电玻璃，在其上溅射15nm厚的TaOx薄膜。接着更换靶材溅射1-3nm铜膜并在氮气氛围下进行快速热退火，使铜膜团聚成分布均匀的纳米颗粒。再次溅射20nm厚的TaOx薄膜完成第一介质层的制备。随后分别溅射15nm厚的Al2O3第二介质层与220nm厚的Ti电极。最后通过剥离工艺，制备出直径为75μm的阻变存储器。
图3、图4是普通双层器件和上述嵌入Cu纳米颗粒双层阻变存储器的实测对比示意图。可以看出普通双层器件高低态阻值比约为30；保持其他制作参数不变，仅加入Cu纳米颗粒，阻变存储器的高低态阻值比显著提高到1000以上；示意图中统计了器件多值切换时各阻态与限制电流的关系，嵌入纳米颗粒器件的电阻与限制电流变化范围明显提升，且各临近阻态的间距有所增加。
图5选取了嵌入纳米颗粒器件的四种电阻状态并测量其失效时间。经外推法计算出四种电阻状态均有可接受的数据保持能力。
实施例2：
一种阻变存储器的结构如图1、图2所示，其中衬底05的材料为玻璃、第一端电极04为180nm的ITO薄膜、第一介质层03为50nm的HfO2薄膜作为、第二介质层02为30nm的ZnO薄膜、第二端电极01为100nm的Ti薄膜、金属纳米颗粒06的材料为Cu，平均直径为20nm。
首先清洗ITO导电玻璃，在其上溅射30nm厚的HfO2薄膜。接着更换靶材溅射3nm铜膜并在氮气氛围下进行快速热退火，使铜膜团聚成分布均匀的纳米颗粒。再次溅射40nm厚的HfO2薄膜完成第一介质层的制备。随后分别溅射30nm厚的ZnO第二介质层与100nm厚的Ti电极。最后通过剥离工艺，制备出直径为180μm的阻变存储器。器件获得同样的类似效果。
以上为本发明的实施例，仅用于详细说明本发明，不对本发明做出任何限制。未改变本质的情况下，对本发明做出的任何替换与优化，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种实现多值非挥发存储的方法，用于阻变存储器，其特征在于：所述方法通过提升阻变存储器的高低态阻值比，以及增加多值存储时各阻态的区分度来优化其多值非挥发存储性能；所述阻变存储器的电极之间设有可稳定所述阻变存储器高阻态工况导电通路的多层阻变介质；所述多层阻变介质包括第一介质层（03）和第二介质层（02）；所述第一介质层与第二介质层的界面间存在势垒；当阻变存储器处于高阻态工况时，所述势垒控制阻变所述存储器的导电能力以提升高阻态工况时的电阻值；
所述的第一介质层中分布有可稳定所述阻变存储器低阻态工况导电通路的金属纳米颗粒（6）；当所述阻变存储器处于低阻态工况时，所述金属纳米颗粒通过场增强效应促进形成导电细丝以降低低阻态工况时的电阻值。
2.根据权利要求1所述的一种实现多值非挥发存储的方法，其特征在于：所述多层阻变介质位于第一端电极（04）和第二端电极（01）之间；所述第一介质层、第二介质层在第一端电极和第二端电极之间以平行层叠方式顺序设置。
3.根据权利要求2所述的一种实现多值非挥发存储的方法，其特征在于：所述第一端电极（04）和第二端电极（01）中的至少一个设于衬底（05）上；所述第一端电极、第二端电极、第一介质层、第二介质层均平行于衬底，或均垂直于衬底；所述第一介质层、第二介质层分别形成多层阻变介质的第一介质面、第二介质面；所述第一端电极、第二端电极分别与多层阻变介质的第一介质面、第二介质面电性接触。
4.根据权利要求3所述的一种实现多值非挥发存储的方法，其特征在于：所述第一介质层厚度不大于60nm，所述第二介质层厚度不大于40nm；金属纳米颗粒的平均直径在1nm-30nm之间，该金属纳米颗粒形状包括柱形、锥形、圆形、扁圆形或椭球型。
5.根据权利要求4所述的一种实现多值非挥发存储的方法，其特征在于：所述衬底的制作材料包括半导体、绝缘体或有机物；制作所述多层阻变介质的材料包括半导体和绝缘体；所述第一端电极、第二端电极、金属纳米颗粒的制作材料包括金属、金属合金、导电化合物。
6.根据权利要求5所述的一种实现多值非挥发存储的方法，其特征在于：所述半导体包括SiO2、Si、SiC、Ga、GaAs、Se、ZnS、CdTe、Bi2Te3或As2Te3；所述绝缘体包括SiO2、Al2O3、Ta2O5、HfO2、NiO、ZnO、Fe2O3或SnO2；所述有机物包括硅橡胶、硅树脂、聚乙烯对苯二酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述金属包括Ag、Pt、Au、Mu、Ti或Cu；所述金属合金包括Ti/W、Cu/Ti或Pt/Ti；所述导电化合物包括TiN、TaN或TiW。
7.根据权利要求5所述的一种实现多值非挥发存储的方法，其特征在于：所述阻变存储器的制备方法包括以下步骤；
步骤S1：在衬底上形成第一端电极；
步骤S2：在第一端电极上方或左侧形成多层阻变介质，在多层阻变介质的第一介质层嵌入金属纳米颗粒；
步骤S3：在多层阻变介质上方或左侧形成第二端电极。
8.根据权利要求7所述的一种实现多值非挥发存储的方法，其特征在于：所述衬底、第一端电极、第二端电极、多层阻变介质和金属纳米颗粒可通过磁控溅射、ALD、溶胶-凝胶法、离子镀、分子束外延工艺制备。
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