一种免电激活互补阻变存储器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种免电激活互补阻变存储器及其制备方法。该存储器由初始态为低阻态的阻变存储器与初始态为高阻态的阻变存储器串联而成，器件结构由底部至顶端依次为底电极、初始低阻态存储功能层、中间电极、初始高阻态存储功能层和顶电极。其制备方法包括以下步骤：(1)清洗衬底；(2)采用物理气相沉积法形成底电极；(3)采用磁控溅射法沉积初始低阻态存储功能层；(4)采用物理气相沉积法形成中间电极；(5)采用原子层沉积法形成初始高阻态存储功能层；(6)采用物理气相沉积法形成顶电极。本发明专利技术的阻变存储器具有免电激活特性，适用于具有交叉阵列结构的3维高密度集成的阻变存储器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种免电激活互补阻变存储器及其制备方法，属于半导体非易失性存储器

技术介绍
伴随着半导体器件的特征尺寸的持续减小，基于电荷存储的传统存储技术将走到物理和技术的极限。与此同时，便携式电子设备的普遍使用也对半导体存储器件的性能提出了更高的要求，即高存储密度、快速编程、低成本、低能耗以及非易失性。近年来，阻变存储器作为一种新型非易失性存储器受到了科研人员的广泛关注。这种阻变存储器件具有结构简单、编程速度快、操作电压低、能耗小、密度高和可以3D集成等优点。阻变存储器的工作原理是基于它自身的电阻可以在外界电压信号的调制下实现高、低电阻态之间的相互转变。到目前为止，阻变行为在各种材料中被发现，包括金属氧化物材料、固体电解质材料和有机材料。在众多材料中，简单氧化物由于结构简单、稳定性强和与传统CMOS工艺相兼容等优点成为人们研究的热点。存储密度的持续提升很难在器件的特征尺寸自身持续缩小上实现，这是因为器件本身的物理极限限制。于是研究人员将研究重点转移到了器件结构上，将阻变存储器件制备成交叉阵列(crossbar)结构能够将每一个存储单位缩小到4F2/n的尺寸(F为特征尺寸，n为阵列在垂直器件平面方向上的堆垛层数)，交叉阵列结构的阻变存储器如图1所示，其中101为位线(Bitlines)，102为存储单元，103为字线(WordLines)。这种交叉阵列结构简单，工艺流程较少，对于提高器件的成品率非常有利，并可以有效地降低器件的制造成本，且存储阵列的密度很高。除此之外，这种交叉阵列结构非常有利于3D集成，例如通过多层堆叠的方法，存储器的密度可以进一步的提高。然而，采用交叉阵列结构会造成相邻存储单元之间的串扰(crosstalk)问题，如图1所示。如果在2×2的阵列中三个相邻的交叉点处于低阻状态(‘ON’)，那么不管第四个交叉点的实际电阻处于高阻态还是低阻态，其读出的电阻都为低阻，这就是“crosstalk”现象。例如图1中，坐标为(1，1)的器件处于高阻状态，其余三个相邻器件(1，2)、(2，2)和(2，1)都处于低阻状态，这时在(1，1)器件上加读电压时，电流可以沿着低阻通道(2，1)→(2，2)→(1，2)(白色箭头所示)进行传输，使得这时(1，1)器件被误读成导通状态(低阻态)，而白色箭头所表示的电流通道就是泄露电流(Sneakcurrent)通道。在解决串扰的问题上，科研人员提出了一种互补阻变存储器概念，将两个基本阻变存储器单元(电极-存储功能层-电极)反向串联形成一个互补阻变存储器单元(电极-存储功能层-电极-存储功能层-电极)。这样在低读取电压下，互补阻变存储器件保持高阻态，这样就避免了串扰读取的情况。并且采用互补阻变存储器可以降低器件的工作功耗，这对便携电子产品的能量消耗非常有利。另一方面，阻变存储器件在实现可逆的高低阻态转变之前，往往需要一个初始的较大电压来激活器件。这种大的激活电压会影响存储功能层材料的稳定性，并且在外围电路设计中也会比较困难。因此寻求一种具备免电激活特性的互补阻变存储器具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种免电激活互补阻变存储器，该阻变存储器具有免电激活特性，适用于具有交叉阵列结构的3维高密度集成的阻变存储器件。本专利技术的另一目的在于提供一种所述阻变存储器的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种免电激活互补阻变存储器，该存储器由初始态为高阻态的存储器与初始态为低阻态的存储器串联而成，器件结构由底部至顶端依次为底电极、初始低阻态存储功能层、中间电极、初始高阻态存储功能层和顶电极。其中，所述初始低阻态存储功能层材料为稀土氧化物材料，初始高阻态存储功能层材料为过渡金属氧化物材料。本专利技术的阻变存储器是由一个初始为低阻态的具有电极-稀土氧化物存储功能层-电极结构的阻变存储器与一个初始为高阻态的具有电极-过渡氧化物存储功能层-电极结构的阻变存储器串联构成的互补阻变存储器件，由于构成互补阻变存储器件的两个阻变存储器自身都为免电激活器件，所以由二者构成的互补阻变存储器具有免电激活特性。这种互补阻变存储器件适用于具有交叉阵列结构的3维高密度集成的阻变存储器件。在本专利技术的阻变存储器中，所述初始低阻态存储功能层材料优选为La2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Er2O3或Lu2O3。所述初始高阻态存储功能层材料优选为TiO2、Ta2O5或HfO2。其中，稀土氧化物材料的初始低阻态存储功能层由磁控溅射法制备，过渡金属氧化物材料的初始高阻态存储功能层由原子层沉积法制备。在本专利技术的阻变存储器中，所述底电极材料优选为Ta、Ti、TaN或TiN；所述中间电极材料优选为Pt、Au、Ru或Pd；所述顶电极材料优选为Ta、Ti、TaN或TiN。在本专利技术的阻变存储器中，所述底电极的厚度为10～200nm，优选为30nm；所述初始低阻态存储功能层的厚度为20～50nm，优选为30nm；所述中间电极的厚度为20～200nm，优选为50nm；所述初始高阻态存储功能层的厚度为5～20nm，优选为12nm；所述顶电极的厚度为5～150nm，优选为80nm。一种所述免电激活互补阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：(1)清洗衬底；(2)采用物理气相沉积法在衬底上形成底电极；(3)采用磁控溅射法在底电极上沉积初始低阻态存储功能层材料；(4)采用物理气相沉积法在初始低阻态存储功能层上形成中间电极；(5)采用原子层沉积法在中间电极上形成初始高阻态存储功能层；(6)采用物理气相沉积法在初始高阻态存储功能层上形成顶电极。其中，所述衬底的材质为石英玻璃、柔性塑料或硅材料。本专利技术的优点在于：本专利技术的免电激活互补阻变存储器不仅有效解决了阻变存储器高密度交叉阵列存储结构中的串扰问题，并且在初始状态下不需要高的激活电压便可实现存储器发生高低阻态间可逆转变，适用于具有交叉阵列结构的3维高密度集成的阻变存储器件。本专利技术的免电激活互补阻变存储器制作成本低，能与目前的CMOS工艺相兼容。附图说明图1为2×2交叉阵列结构阻变存储器示意图。图2为本专利技术的阻变存储器的基本结构流程图。图3为本专利技术的阻变存储器的制作流程图。图4为典型互补阻变存储器的电压-电流特性曲线示意图。图5为本专利技术实施例1的阻变存储器的电压-电流示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术进行进一步详细说明。如图2所示，本专利技术的免电激活互补阻变存储器是一种基于多层薄膜结构的非易失性阻变存储器，包括设置于衬底201上面的底电极202、设置于底电极202上面的初始低阻态存储功能层203、设置于初始低阻态存储功能层203上面的中间电极204，设置于中间电极204上面的初始高阻态存储功能层205，以及设置于初始高阻态存储功能层205上的顶电极206。如图3所示，为本专利技术阻变存储器的制作流程图。具体地，该阻变存储器的制备方法包括以下步骤：步骤301：清洗衬底作为衬底，一般由二氧化硅、玻璃、掺杂单晶硅、多晶硅或者其他绝缘材料制成。由于衬底主要起到支撑整个阻变存储器结构的作用，所以清洗过程只需要表明平整无污染即可。步骤302：在衬底上形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种免电激活互补阻变存储器，其特征在于，该存储器由初始态为低阻态的阻变存储器与初始态为高阻态的阻变存储器串联而成，器件结构由底部至顶端依次为底电极、初始低阻态存储功能层、中间电极、初始高阻态存储功能层和顶电极。

【技术特征摘要】
1.一种免电激活互补阻变存储器，其特征在于，该存储器由初始态为低阻态的阻变存储器与初始态为高阻态的阻变存储器串联而成，器件结构由底部至顶端依次为底电极、初始低阻态存储功能层、中间电极、初始高阻态存储功能层和顶电极。2.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述初始低阻态存储功能层材料为稀土氧化物材料，初始高阻态存储功能层材料为过渡金属氧化物材料。3.根据权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于，所述初始低阻态存储功能层材料为La2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Er2O3或Lu2O3。4.根据权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于，所述初始高阻态存储功能层材料为TiO2、Ta2O5或HfO2。5.根据权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于，稀土氧化物材料的初始低阻态存储功能层由磁控溅射法制备，过渡金属氧化物材料的初始高阻态存储功能层由原子层沉积法制备。6.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述底电极材料为...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鸿滨，屠海令，魏峰，杨志民，陈博昊，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11