[发明专利]一种阻变存储器结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阻变存储器结构及其制备方法，属于电子元器件制备技术领域。

背景技术

存储器作为数据的存放介质，是现代计算机系统的记忆核心。按照所存储的信息在断电后能否仍被保存，存储器可分为挥发型和非挥发型。非挥发性存储器(NVM)以高密度、低成本、低功耗、快速读写、高循环次数、高持久性为发展方向，在市场中占据越来越重要的席位。其中，硅基闪存设备因其高密度、低成本等优势，成为非挥发性存储器的主流产品。然而，现有硅基闪存技术存在低持久性、低读写速度、高工作电压等缺点，以及工艺所面临的尺寸限制等问题。为此，业界对新一代非挥发性存储技术进行了大量研究，目前开发出的新型NVM包括：铁电存储器、磁性存储器、相变存储器等。然而，尺寸受限同样也是铁电存储器和磁性存储器技术发展中面临的主要障碍。相变存储器因其转换机制较为明确而被广泛研究。然而，相变存储器依然面临工作寿命较短和写电流较大等亟待解决的问题。由于基于过渡金属氧化物的阻变存储器在特性参数方面具有较大优势，例如：快速操作、低功耗、高循环次数、小尺寸，近年来吸引了广泛研究和关注。

阻变存储器的存储单元一般具有金属/阻变材料/金属结构，向两电极施加适当电压，阻变材料的电阻值可在低阻态和高阻态之间转换，从而实现数据的存储。不同的电极和阻变材料相结合，可体现出多类型的阻变特性。很多过渡金属氧化物的阻变现象可以用价态变化效应引起导电细丝的形成和断裂来描述。以氧化钛为例，初始器件中，氧化钛未被激活，体现出高阻特性。初次在器件两端施加电压，阻变材料在焦耳热和电场的作用下可被激活，氧化钛中的氧空位形成导电细丝，体现出低阻状态。器件在反向电场的作用下，导电细丝断裂，电阻由低阻态转变回高阻态。

基于过渡金属氧化物的阻变存储器，较传统器件，在集成密度、操作电压、操作速度、器件功耗、循环次数、使用寿命等方面具有显著优势，成为当前研究热点。计算机科技的高速发展，促使存储器技术不断革新，向着高存储量、小体积、低功耗的方向发展。针对现有存储技术存在的写操作功耗过高、操作速度较慢、循环次数较低等方面的问题，过渡金属氧化物阻变存储器显示突出优势，从而吸引了众多研究，有望成为下一代的主流存储技术。

现代科技对低功耗、小体积电子产品的追求，促进了微电子科学向纳米电子科学的迅速发展。随着电子器件集成度的指数提高，对降低器件功耗的要求也越来越高。目前几乎所有的阻变存储器结构的电极都是由金属组成，在开启状态下，器件电阻很低，造成器件读写时功耗较高。因此进一步实现器件的超低功耗至关重要，因为阻变存储器每字节能量依然比现有商业技术（闪存、静态随机存储器、动态随机存储器）高出许多，而且散热问题也可导致器件的不稳定性。

当今社会，透明和柔性的电子产品悄然兴起，代表了未来电子产品发展的趋势。这也激发透明柔性存储器研究。传统的透明电极氧化铟锡薄膜，由于铟的价格高昂和供应受限，而且氧化铟锡薄膜比较脆，缺乏柔韧性，在制作电极过程中需要在真空中层沉积而成本比较高，很长时间以来，科学家们都在致力于寻找它的替代品。除了透明、导电性好、容易制备等要求，如果材料本身的柔韧性比较好话，将适合用来做“电子纸”或者其他可以折叠的显示设备，因此柔韧性也是一个很重要的方面。

实现超低功耗，一方面可以降低器件尺寸，从而限制存储器中导电通道的数量。这样器件在开状态下电阻大幅提高，可以降低读和写的功耗。例如，Yang等（Yang et al.Memristive switching mechanism for metal/oxide/metal nanodevices.Nature Nanotech.3(2008)429）提供了一种基于铂金属/氧化钛/铂金属的阻变存储器，将器件尺寸从微米级降低到50nm后，器件的开关过程消耗的功率为可以从1-100mW降低到100μW左右。但是通过降低器件尺寸无法从机理上解决高功耗的问题，同时会带来很多负面因素：第一，器件的制作成本大幅提高，制作50nm尺度的器件需要用到目前最先进的工艺线，这对于那些对器件尺寸要求不高以及低成本的应用来说具有很大的局限性；第二，在小尺度器件中，导电通道数目很小，因此器件的均一性和稳定性都会大幅降低，不利于大规模集成。