CN113346016A - 一种忆阻器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种忆阻器及其制备方法，由上至下包括：上电极、第一空位浓度阻变层、第二空位浓度阻变层以及下电极；第一空位浓度阻变层的空位浓度为固定浓度值或者浓度从高至低梯度变化；第二空位浓度阻变层的空位浓度为固定浓度值或者浓度从高至低梯度变化；第一空位浓度阻变层和第二空位浓度阻变层的阻变材料相同；第一空位浓度阻变层的固定浓度值或最低空位浓度值大于第二空位浓度阻变层的固定浓度值或最高空位浓度值。本发明通过梯度调制阻变材料，多层复合阻变材料由高空位浓度层到低空位浓度层，保证外部施加电场分布局域化。

Description

一种忆阻器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种忆阻器及其制备方法。

背景技术

以阻变材料为基底的存储器件，例如以过渡金属氧化物为基底的材料，可通过对其施加适用于CMOS集成电路的操作电压水平，来使上下电极间的阻变材料在非晶相中形成或熔断结晶相的导电细丝。其中结晶相的氧空位导电细丝具有比非晶相低的阻值，氧空位导电丝的形成程度可被用来稳定读取并表征。工业界已采用可擦写的阻变材料来制备非易失性存储器件。所述的非易失性器件可通过外围电路来随机存取与读取。

单层阻变材料可以包括标准化学计量比或非标准化学计量比的过渡金属氧化物材料。该器件在进行操作前需要一个大电压进行初始化，以使阻变材料软击穿形成较粗的氧空位导电丝，接着在电极两端施加负向操作电压时，会熔断改较粗的氧空位导电丝，随后施加正向操作电压会形成较细的导电丝。上述过程的大电压初始化过程会导致外围驱动电路设计复杂化，并会造成器件失效及良率下降。另一方面，导电丝的形成位置、形状、粗细、数量会在整个阻变材料层中随机发生，可能会导致器件性能一致性较差问题。另外，在脉冲操作中重复的形成与熔断导电丝，可能会导致导电丝形成区域的变化，进而导致器件保持特性进一步下降，并限制了器件的循环耐久性。

因此，有需要提供一种同质复合层阻变材料的器件，来解决上述的一致性、良率、窗口比、耐久性、大电压初始化、阻态保持问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种忆阻器及其制备方法，旨在解决现有以阻变材料为基底的非易失性器件需要大电压进行初始化、器件一致性和耐久性差的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种忆阻器，该忆阻器由上至下包括：上电极、第一空位浓度阻变层、第二空位浓度阻变层以及下电极；

所述第一空位浓度阻变层的空位浓度为固定浓度值或者浓度从高至低梯度变化；

所述第二空位浓度阻变层的空位浓度为固定浓度值或者浓度从高至低梯度变化；所述第一空位浓度阻变层和第二空位浓度阻变层的阻变材料相同；所述第一空位浓度阻变层的固定浓度值或最低空位浓度值大于第二空位浓度阻变层的固定浓度值或最高空位浓度值；

初始状态下，所述忆阻器处于高阻值状态；

向上电极施加正向偏压后，首先压降主要落在第二空位浓度阻变层，第一空位浓度阻变层的空位进入第二空位浓度阻变层并在第二空位浓度阻变层形成第一晶化导电丝；此时第二空位浓度阻变层的阻值变低，压降重新分配并诱导第一空位浓度阻变层形成第二晶化导电丝；所述第一晶化导电丝和第二晶化导电丝组成导电丝连接上电极和下电极，使得所述忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

在忆阻器处于低阻值状态后，向下电极施加正向电压后，所述导电丝由底部到顶部逐渐断开直至完全消熔，使得所述忆阻器由低阻值状态转变为高阻值状态。

在一个可选的示例中，上电极材料的功函数小于下电极材料的功函数。

在一个可选的示例中，所述第一空位浓度阻变层和第二空位浓度阻变层的阻变材料为一元或多元金属的氧化物或氮化物。

在一个可选的示例中，所述第一空位浓度阻变层和第二空位浓度阻变层的空位为：氧空位或氮空位。

在一个可选的示例中，所述第一空位浓度阻变层的化学式为AlOx，所述第二空位浓度阻变层的化学式为AlOy，其中，0＜x＜y≤3/2。

第二方面，本发明提供了一种如上述第一方面提供的忆阻器的制备方法，包括如下步骤：

在衬底上沉积下电极薄膜；

在下电极薄膜上沉积隔离层薄膜；

使用刻蚀工艺将下电极薄膜上预设区域范围的隔离层薄膜移除，直至所述预设区域暴露出下电极薄膜；

采用物理气相沉积法或者化学气相沉积法在所述下电极薄膜上由下至上依次沉积出所述第二空位浓度阻变层和第一空位浓度阻变层；

在所述第一空位浓度阻变层上沉积下电极薄膜。

在一个可选的示例中，采用物理气相沉积法沉积第二空位浓度阻变层或第一空位浓度阻变层时，通过控制空位元素气体的通入量(氧化物则控制Ar：O₂比，增大比例则空位就多，反之则少；氮化物则控制Ar：N₂比)来沉积不同空位浓度的阻变层；

采用化学气相沉积法沉积第二空位浓度阻变层或第一空位浓度阻变层时，通过控制吹扫气体的吹扫时间和反应温度，沉积不同空位浓度的阻变层。

在一个可选的示例中，该制备方法制备的忆阻器的特征尺寸为10纳米至1000纳米。

在一个可选的示例中，所述下电极薄膜的厚约为30纳米至200纳米，所述隔离层薄膜的厚度为10纳米～200纳米；所述第二空位浓度阻变层和第一空位浓度阻变层组成的复合组变成的厚度为2纳米～50纳米，所述下电极薄膜的厚度为30纳米至200纳米。

在一个可选的示例中，所述上电极薄膜材料的功函数小于下电极薄膜材料的功函数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种忆阻器及其制备方法，通过上下电极与梯度调制阻变材料设计，其中电极由低功函数的上电极到高功函数(功函数>5的常见金属：Pt、Au)的下电极，多层复合阻变材料由高空位浓度层到低空位浓度层，保证外部施加电场分布局域化。

本发明提供一种忆阻器及其制备方法，通过不同薄膜制备工艺沉积同种阻变材料、通过控制薄膜制备条件参数调节生长气体氛围环境，通过多层调制薄膜材料空位浓度梯度的方向性变化和稳定度，可建立空位浓度与形成能和迁移势垒的关系，抑制空位的无序增殖和微结构相变，进而实现阻变材料在大初始化电压、一致性、循环擦写、保持以及温度耐受性等工况条件下的性能提升。以氧空位为例进行说明，本发明通过不同的制备工艺对忆阻器中的阻变层进行同质多层不同氧化程度的改进，利用不同氧化程度的材料作为阻变层可以促使驱动电场的不均匀分布，其更为有效的分布情况使得器件的初始化电压大为降低，避免大初始化电压带来的器件破坏情况；对器件施加正向操作电压时，压降主要落在高氧化层，导电丝区域更趋向于先在氧化程度高的阻变层形成，随后压降重新分布，氧化程度低的阻变层会沿着前者的晶化导电丝区域继续生长并导通上下电极；对器件施加反向操作电压时，器件的导电丝熔断后，高氧化层中的原生空位缺陷少，该层会表现出很高的阻值，使得器件高阻态有数量级的提高，从而实现整体窗口比的提升，上述氧化程度差的结构设计调制了阻变层中原生空位的方向性变化和稳定度，从而限制了导电丝的形成与熔断区域范围，可提高器件的高低阻态与开关电压分布的一致性；基于氧化程度差异的阻变层更易形成集中的导电丝区域，从而抑制循环擦写过程中导电丝的无序增殖和微结构相变，提高器件的耐擦写能力以及保持稳定性。

本发明提供一种忆阻器及其制备方法，器件制备时选用刻蚀通孔沉积结构或沉积刻蚀侧壁结构进行尺寸微缩，能保证器件有效面积尺寸在10纳米～1000纳米范围内本材料结构器件性能改善的有效性。

附图说明

图1为本发明一实施例绘示的忆阻器单元的简化结构剖面图；

图2为本发明实施例提供的一种采用物理气相沉积法来形成同质多层空位浓度梯度复合阻变材料的系统简化图；

图3为本发明实施例提供的一种采用化学气相沉积法来形成同质多层空位浓度梯度复合阻变材料的系统简化图；

图4为本发明实施例绘示使用前述薄膜制备系统的一个来形成包含有同质多层空位浓度梯度复合阻变材料的忆阻器单元工艺步骤流程示意图；

图5为本发明实施例绘示的使用前述填埋刻蚀形成的尺寸为10纳米～1000纳米的通孔结构的工艺步骤流程示意图；

图6为本发明实施例绘示的使用前述薄膜制备系统的一个来形成包含有同质多层空位浓度梯度复合阻变材料的忆阻器单元工艺步骤流程示意图；

图7为本发明实施例绘示的使用前述侧壁刻蚀形成的尺寸为10纳米～1000纳米的通孔结构的工艺步骤流程示意图；

图8为本发明实施例提供的的本发明忆阻器的结构原理与现有忆阻器的结构原理对比示意图；

图9为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的初始化电压对比图；

图10为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的电流-电压特性对比图；

图11为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的电阻累积分布对比图；

图12为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的脉冲循环特性对比图；

图13为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的保持特性对比图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100：上电极；主要是低功函数惰性金属；100A：上电极与阻变材料界面；101：高空位浓度阻变材料层；101A：高低空位浓度阻变材料层界面；102：低空位浓度阻变材料层；103：下电极；主要是高功函数惰性金属；103A：下电极与阻变材料界面；104：晶化导电丝区域；422：刻蚀区域；423：掩膜的光刻胶；424：氧化硅隔离层；425：硅基衬底；426：该结构的特征尺寸。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体地，本发明的实施例将配合图1至图7详述如下：

需要说明的是，鉴于本发明提供的忆阻器采用了相同材质的不同空位浓度(或者用氧化状况)的阻变层，因此可将本发明提供的忆阻器进一步命名为：同质多层(不同原生空位)复合阻变材料结构的忆阻器或同质多层忆阻器。

另外，可以理解的是，由于本发明提供的忆阻器中，第二空位浓度阻变层和第一空位浓度阻变层的空位浓度存在差别，因此，为方便表述，可将这两层阻变层命名为：高空位浓度层和低空位浓度层。其中，高空位浓度层和低空位浓度层的空位浓度均可以是固定空位浓度值或者空位浓度由高到低梯度变化之一的情况。高空位浓度层的最低空位浓度值(或固定空位浓度值)大于低空位浓度层的最高空位浓度值(或固定空位浓度值)。

图1为根据本发明的一实施例绘示一种同质多层空位浓度梯度复合阻变材料结构的忆阻器单元的简化结构剖面图，其中，忆阻器存单元的同质多层浓度梯度材料结构可以结合不同制备工艺或者在同种制备工艺中调节参数；单元的层数为2，整体厚度从2纳米～100纳米；这个存储单元包括上电极100、高空位浓度层101、低空位浓度层102以及下电极103。上电极100与高空位浓度层101具有电极表面100A，且具有电极表面103A与下电极103表面接触。高空位浓度层101与低空位浓度层102具有101A界面。在另一些实施例中，高空位浓度层101、低空位浓度层102可以包含一层或多层阻变材料，浓度梯度方向沿上电极100到下电极103方向逐渐降低。

上电极100和下电极103可以包含材料为Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Zr、Ta、W、Hf、Ir、TiN、Pt、Au、TiW，选取的上电极薄膜材料的功函数小于下电极薄膜材料的功函数。

如图1所绘示，上电极100相对于下电极103具有更低的金属功函数，电极界面100A相对于电极界面103A有更低的金半接触势垒高度差，电子更容易越过势垒参与导电，因此正偏压施加在上电极100，负偏压则施加在下电极103。高空位浓度层101相对于低空位浓度层102具有更多缺陷，阻值会更低，外部施加偏压时导致电场分布有序化，主要压降首先落在低空位浓度层102，诱导导电丝形成使得该层阻值变小。接着电场再分布诱导高空位浓度层101也形成晶化导电丝区域。

具体地，本发明中低功函数电极(上电极)靠近高空位浓度层是为了在施加正向电压过程中，电子更容易越过其势垒差，氧得到电子形成氧离子进行迁移，产生空位导电丝。

相对于单层的忆阻器器件，本发明的材料结构可以导致电场分布有序化，从而诱导晶化导电丝区域形成位置局域化，实现对空位动力学过程的调控，包括产生和迁移，调制薄膜材料空位浓度梯度的方向性变化和稳定度，可建立空位浓度与形成能和迁移势垒的关系，抑制空位的无序增殖和微结构相变，进而实现阻变材料在大初始化电压、一致性、循环擦写、保持以及温度耐受性等工况条件下的性能提升。

在本发明的一实施例之中，高空位浓度层101和低空位浓度层102可以为此处所述的高氧空位浓度氧化铝(AlOx)和低氧空位浓度氧化铝(AlOy)，其中0＜x＜y≤3/2。上电极100与阻变材料的电极界面100A是上电极100与高空位浓度阻变材料接触的一部分，可于其上发现电极材料和存储器材料之间的晶相变化。上电极施加正偏压过程中，压降主要落在低空位浓度阻变层102上，使得高空位浓度层101中的空位大量进入低空位浓度阻变层102并形成晶化导电丝，使得该层阻值变低，压降重新分配并在高空位浓度层101中也形成晶化导电丝区域，如图1中导电丝104所示连结上下电极使得该器件由高阻值转变为低阻值状态。下电极103施加正偏压时，导电丝104在下电极与阻变层界面103A处开始断开直至完全消熔，此时由低阻值转变为高阻值状态。此处所述的电极表面100A与103A在上述过程中电极表面不会被氧化。

本发明中的高低阻变层101、102也可以分别是多个不同化学计量比的阻变层构成一个高空位浓度到低空位浓度的梯度变化，此外阻变材料也可以使用其他的一元或多元金属(Al、Si、Ti、Mg、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Nb、Zr、Ta、W、Hf、Ir)氧化物或氮化物，其中空位可以为氧空位、氮空位。

图2为绘示一种采用物理气相沉积来形成高低空位浓度阻变材料的系统简化图。此系统包含真空槽，其中有一个或多个组分的溅射靶材与晶圆基片。溅射靶材可以是阻变材料的单质或者化合物，并连接至外部的直流/射频电源，用来在溅射过程中给靶材施加不同功率大小的电压偏置以适合特定材料的靶材。该真空槽配置机械泵或真空泵将溅射前的腔内真空度抽到至少10-³以下。真空槽配置有气体氛围源，提供溅射所需的惰性气体源，比如氩气，以及反应气体源，如氧气或氮气，而且可以控制溅射时的气体流量比来实现不同的气体反应环境。使用溅射靶材并调控溅射参数后，晶圆基片上便可以沉积得到不同空位浓度阻变材料。晶圆基片可以使用自旋、升温控制系统来增进所沉积的薄膜材料的平整度及致密度。值得注意的是，图2仅为用来描述本实施例的简化图。溅射反应槽为半导体制造工厂的标准配备，可以在不同商业来源中取得。

在另一个用来形成高低空位浓度阻变材料的沉积系统简化图实施例中，如图3所示，为绘示一种采用化学气相沉积来形成高低空位浓度阻变材料的系统简化图。此系统包含真空槽，其中有一个或多个组分的反应源与晶圆基片。反应源是进行化学反应的原料，并连接至外部的电源，用来控制其反应过程的进行。该真空槽配置机械泵或真空泵将沉积前的腔内真空度抽到至少10-³以下。真空槽配置有反应气体/液体氛围源，提供不同反应所需的原料，不同的沉积材料有不同的原料配比，而且可以精确控制每一个沉积循环时的送入真空腔内的各种原料的流量比。槽内还有每次沉积循环结束后的吹扫系统，用来带走腔内残留的反应原料，确保每个反应循环都能精确控制反应原料的比例。槽内还应包括控温系统用来控制真空腔内的反应温度，范围从50℃～500℃。使用相应的反应源并调控反应参数后，晶圆基片上便可以沉积得到不同空位浓度阻变材料。值得注意的是，图3仅为用来描述本实施例的简化图。溅射反应槽为半导体制造工厂的标准配备，可以在不同商业来源中取得。

在另一个实施例之中，可以只采用物理气相沉积方法调制参数来分别沉积高低空位浓度阻变材料，比如氧化铝高位浓度层可以通过使用铝靶与小Ar：O₂比，低空位浓度则采用氧化铝靶与大Ar：O₂比。

在另一个实施例之中，可以只采化学气相沉积方法调制参数来分别沉积高低空位浓度阻变材料，比如氧化铝低空位浓度层可以通过增加吹扫残留反应物时间与升高反应温度，高空位浓度则采用减小吹扫时间与降低反应温度。在另一个实施例之中，可以采用两种沉积方法来分别制备不同的空位浓度层，但需要保证从高到低的空位浓度梯度变化。

图4为一种绘示使用前述沉积系统来形成10纳米～1000纳米特征尺度包含同质复合高低空位浓度阻变材料的存储单元的工艺步骤流程图。此工艺包括先在硅基衬底425上沉积下电极薄膜，厚度约为30纳米至200纳米。接着，在下电极薄膜上沉积隔离层薄膜，厚度约为10纳米～200纳米，在选优实施例中，隔离层424可以为，例如氧化硅、氮化硅层。随后，使用电子束曝光工艺形成10纳米至1000纳米特征尺寸426的图形，图形可以为圆形、方形。将电子束光刻胶423作为掩膜的图形，使用刻蚀工艺将刻蚀区域422图形部分移除，直至暴露出下电极并剥离掉光刻胶。接下来，使用上述的两种沉积方法在真空预备环境中，调制好沉积参数，在步骤529的通孔状底片上沉积形成同质高低空位浓度梯度的复合阻变材料，两者厚度约为2纳米～50纳米。最后沉积下电极薄膜，厚度约为30纳米至200纳米。

图5为绘示一种使用前述沉积系统来形成10纳米～1000纳米特征尺度包含同质复合高低空位浓度阻变材料的柱状结构存储单元的结构剖面示意图，其中此结构由图4所示的工艺步骤所形成。存储单元的标号与图1所绘示的相对应。

图6为另一种绘示使用前述沉积系统来形成10纳米～1000纳米特征尺度包含同质复合高低空位浓度阻变材料的存储单元的工艺步骤流程图。此工艺包括先在硅基衬底上沉积下电极薄膜，厚度约为30纳米至200纳米。接着，使用上述的两种沉积方法在真空预备环境中，调制好沉积参数，在的底片上沉积形成同质高低空位浓度梯度的复合阻变材料，两者厚度约为2纳米～50纳米。然后，沉积上电极薄膜，厚度约为30纳米至200纳米。随后，使用电子束曝光工艺形成10纳米至1000纳米特征尺寸735的图形，图形可以为圆形、方形。将电子束光刻胶423作为掩膜的图形，使用刻蚀工艺将光刻胶外的部分移除，直至暴露出下电极并剥离掉光刻胶。

图7为绘示一种使用前述沉积系统来形成10纳米～1000纳米特征尺度包含同质复合高低空位浓度阻变材料的柱状结构存储单元的工艺步骤流程图。其中此结构由图6所示的工艺步骤所形成。存储单元的标号与图1所绘示的相对应。

图8为本发明实施例提供的本发明忆阻器的结构原理与现有忆阻器的结构原理对比示意图。图8的左图中所示，单层忆阻器在制备完成后需要一个大的初始化电压(大电压容易使器件失效，从而降低器件良率)在中间层中形成软击穿，产生大量空位，由于该层上的分压平均，所以导电丝的位置会随机并形成多条形状不一的导电丝(影响器件参数的一致性)，多处导电丝周围存在游离的空位(影响器件保持及循环特性)；相比而言，如图8中的右图所示，本发明中通过不同的制备工艺对忆阻器中的阻变层进行同质多层不同氧化程度的改进，利用不同氧化程度的材料作为阻变层可以促使驱动电场的不均匀分布，其更为有效的分布情况使得器件的初始化电压大为降低，避免大初始化电压带来的器件破坏情况，提高制备良率；对器件施加正向操作电压时(器件由高阻转变为低阻)，压降主要落在高氧化层，导电丝区域更趋向于先在氧化程度高的阻变层形成，随后压降重新分布，氧化程度低的阻变层会沿着前者的晶化导电丝区域继续生长并导通上下电极；对器件施加反向操作电压时(器件由低阻转变为高阻)，器件的导电丝熔断后，高氧化层中的原生空位缺陷少，该层会表现出很高的阻值，使得器件高阻态有数量级的提高，从而实现整体窗口比的提升，上述存在氧化程度差的多层结构设计调制了阻变层中原生空位的方向性变化和稳定度，从而限制了导电丝的形成与熔断形状与范围，可提高器件的高低阻态与开关电压分布的一致性；相比于单层结构中由于驱动电场的均匀分布，导电丝趋向于形成多条形状不一的导电丝，然而本发明的结构在阻变过程中更趋向于形成的导电丝一条粗的导电丝，于是导电丝周围游离的空位会更少，从而抑制循环擦写过程中导电丝的无序增殖和微结构相变，提高器件的耐擦写能力以及保持稳定性。

图9为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的初始化电压对比图，对初始的器件进行操作时需要一个软击穿过程来产生空位缺陷，具体是上电极施加正向电压，下电极接地，当通过器件的电流发生一个大电流值的突变的时候，表示器件完成了软击穿，由图9中可以看到单层氧化铝器件的初始化电压为3V，然而本发明的双层氧化铝器件的初始化电压只需要0.8V，说明本发明实现了免大电压初始化的特性，大大降低集成工艺中驱动电路的设计复杂度。

图10为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的电流-电压特性对比图，对上述两种器件进行电学特性量测，具体为通过测试仪器在上电极施加操作电压，下电极接地。对器件正向操作过程中，操作电压由0增大到2V再回到0V，在0到2V的施加过程中，器件达到开启电压(图10中左图所示，单层氧化铝开启电压～0.8V，图10中右图所示，双层氧化铝开启电压～1V)便会发生电流值由小变大的突变，器件则由高阻转变为低阻，其中对电流幅值限制为1mA，防止器件被破坏，可以明显看到单层氧化铝的开启电压分布范围比双层氧化铝的大。对器件负向操作过程中，操作电压由0增大到-2V再回到0V，在0到-2V的施加过程中，器件达到关断电压(图10中左图所示，单层氧化铝开启电压～-0.7V，图10中右图所示，双层氧化铝开启电压～-0.6V)便会发生电流值由大变小的过程，器件则由低阻转变为高阻，可以明显看到单层氧化铝的关断电压分布范围比双层氧化铝的大，而且单层器件的关断电流比双层器件大得多(图10中左图所示，单层氧化铝关断电流高达6*10-³A，图10中右图所示，双层氧化铝关断电流为1.5*10-³A)，减小电流可以降低功耗。用小电压(0.1V～0.5V)读取器件的高低阻态，可以明显看到双层器件的高低阻态分布更为集中，即一致性更好。

图11为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的电阻累积分布对比图。用小电压(0.1V～0.5V)读取器件的高低阻态，可以明显看到双层器件的高低阻态分布更为集中(差异性＝均值/标准差：单层器件高阻为53.91％，低阻为16.13％，双层器件高阻为21.30％，低阻为4.03％)，即一致性更好。且高低阻的窗口比由单层器件的～10增大为双层器件的～1000。开关窗口比越大及一致性越低可以提高信息存取的准确性。

图12为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的脉冲循环特性对比图。对器件进行脉冲循环特性量测，采用图10中的操作方法将器件置到低阻态，通过测试仪对器件的上电极施加单个负脉冲(单层器件：幅值为-1.75V，脉宽为20ns；双层器件：幅值为-2V，脉宽为20ns)，下电极接地，器件则由低阻态转变为高阻态(用小电压读取器件阻态)，接着通过测试仪对器件的上电极施加单个正脉冲(单层器件：幅值为1.5V，脉宽为20ns；双层器件：幅值为1.2V，脉宽为20ns)，下电极接地，器件则由低阻态转变为高阻态(用小电压读取器件阻态)。重复施加上述的正负脉冲对，统计循环次数，可以明显看到单层器件可以在10⁵的循环次数后保持器件不坏，然而本发明改进的器件可以在10¹⁰的循环次数后保持器件不坏，大大提升了器件的擦写能力，确保器件在实际的存取数据中能进行高速、多次的操作。

图12为本发明实施例提供的单层氧化铝忆阻器和同质多层不同氧化状况结构氧化铝忆阻器的保持特性对比图。对器件进行保持特性量测，将环境温度升至125℃下，通过测试仪对器件的上电极施加小电压进行阻值读取(高阻和低阻分别测一次)，下电极接地，可以发现本发明的改进器件的高低阻态飘移情况相对于单层器件的高低阻态飘移情况具有一定的改善。

综上，图8说明本发明提供的氧化程度差异的器件结构设计可建立空位浓度与形成能和迁移势垒的关系，以及抑制导电丝的无序增殖和微结构相变问题，最终实现忆阻器免初始化、提高了参数一致性、窗口比、循环擦写能力和保持稳定性。

图9说明了采用本发明结构设计的忆阻器件电初始化电压大幅降低，与开启电压相当，所以表现出免大电压初始化的特性，改善大电压初始化带来的良率降低问题，降低了外围驱动电路的设计复杂度。

图10说明采用了本发明结构设计的忆阻器件展现出开关电压以及高低阻分布的高一致性，同时还减小了器件的开态电流，提高了忆阻器使用过程中的存取信息的准确性以及功耗的降低。

图11说明采用了本发明结构设计的忆阻器件的高低阻态累积分布都大为改善，而且窗口提升了～100倍，提高了忆阻器件擦写不同阻态的稳定性与区分度。

图12说明采用了本发明结构设计的忆阻器件的脉冲循环耐擦写能力指标提升至少5个数量级，而且擦写的窗口也提高了10倍，大幅提高器件使用寿命。

图13说明采用了本发明结构设计的忆阻器件的阻态保持飘移情况有改善，根据高温外延公式可以保证器件中存储的阻态信息至少10年内不发生阻态跳变，仍可准确读取。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种忆阻器，其特征在于，该忆阻器由上至下包括：上电极、第一空位浓度阻变层、第二空位浓度阻变层以及下电极；

所述第一空位浓度阻变层的空位浓度为固定浓度值或者浓度从高至低梯度变化；

所述第二空位浓度阻变层的空位浓度为固定浓度值或者浓度从高至低梯度变化；所述第一空位浓度阻变层和第二空位浓度阻变层的阻变材料相同；所述第一空位浓度阻变层的固定浓度值或最低空位浓度值大于第二空位浓度阻变层的固定浓度值或最高空位浓度值；

初始状态下，所述忆阻器处于高阻值状态；

向上电极施加正向偏压后，首先压降主要落在第二空位浓度阻变层，第一空位浓度阻变层的空位进入第二空位浓度阻变层并在第二空位浓度阻变层形成第一晶化导电丝；此时第二空位浓度阻变层的阻值变低，压降重新分配并诱导第一空位浓度阻变层形成第二晶化导电丝；所述第一晶化导电丝和第二晶化导电丝组成导电丝连接上电极和下电极，使得所述忆阻器由高阻值状态转变为低阻值状态；

在忆阻器处于低阻值状态后，向下电极施加正向电压后，所述导电丝由底部到顶部逐渐断开直至完全消熔，使得所述忆阻器由低阻值状态转变为高阻值状态。

2.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，上电极材料的功函数小于下电极材料的功函数。

3.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述第一空位浓度阻变层和第二空位浓度阻变层的阻变材料为一元或多元金属的氧化物或氮化物。

4.根据权利要求1至3任一项所述的忆阻器，其特征在于，所述第一空位浓度阻变层和第二空位浓度阻变层的空位为：氧空位或氮空位。

5.根据权利要求4所述的忆阻器，其特征在于，所述第一空位浓度阻变层的化学式为AlOx，所述第二空位浓度阻变层的化学式为AlOy，其中，0＜x＜y≤3/2。

6.一种如权利要求1所述的忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在衬底上沉积下电极薄膜；

在下电极薄膜上沉积隔离层薄膜；

使用刻蚀工艺将下电极薄膜上预设区域范围的隔离层薄膜移除，直至所述预设区域暴露出下电极薄膜；

采用物理气相沉积法或者化学气相沉积法在所述下电极薄膜上由下至上依次沉积出所述第二空位浓度阻变层和第一空位浓度阻变层；

在所述第一空位浓度阻变层上沉积下电极薄膜。

7.根据权利要求6所述的忆阻器的制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积法沉积第二空位浓度阻变层或第一空位浓度阻变层时，通过控制空位元素气体的通入量来沉积不同空位浓度的阻变层；

采用化学气相沉积法沉积第二空位浓度阻变层或第一空位浓度阻变层时，通过控制吹扫气体的吹扫时间和反应温度，沉积不同空位浓度的阻变层。

8.根据权利要求6所述的忆阻器的制备方法，其特征在于，该制备方法制备的忆阻器的特征尺寸为10纳米至1000纳米。

9.根据权利要求6至8任一项所述的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述下电极薄膜的厚约为30纳米至200纳米，所述隔离层薄膜的厚度为10纳米～200纳米；所述第二空位浓度阻变层和第一空位浓度阻变层组成的复合组变成的厚度为2纳米～50纳米，所述下电极薄膜的厚度为30纳米至200纳米。

10.根据权利要求6至8任一项所述的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述上电极薄膜材料的功函数小于下电极薄膜材料的功函数。

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