[发明专利]一种固态电解质阻变存储器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种固态电解质阻变存储器，其是在作为底电极的衬底上依次形成有PbS阻变介质层、Ga₂O₃阻变转换层，在Ga₂O₃阻变转换层上表面沉积有上电极层。同时本发明还公开了该阻变存储器的制备方法，该方法是将干燥洁净的衬底置于退火炉的托盘上，取PbS溶液滴加到衬底上，待溶液自动扩展并覆盖整个衬底表面后，进行退火处理，形成网络状的PbS阻变介质层；然后再依次溅射沉积Ga₂O₃阻变转换层和上电极层。本发明提供的阻变存储器添加了网络状PbS作为阻变存储器的介质层，对传统使用氧化物制备的存储器件在重复特性、保持特性、开启电压等方面起到了优化作用，其结构独特，性能表现良好，是一种存储性能佳、能耗低、应用前景更为广阔的阻变存储器。

技术领域

本发明涉及阻变存储设备及其制备，具体地说是一种固态电解质阻变存储器及其制备方法。

背景技术

近年来，集成电路工艺的尺寸已经深入到20纳米以下，传统的非挥发性存储器件已经接近物理极限，开发新一代非挥发性存储器已成为各国科学家研究的热门领域。目前，非挥发性存储器的主要类型有磁存储器，相变存储器和阻变存储器。其中阻变存储器具有功耗低，读写速度快，数据保持能力好，制作简单，易于集成等优点，是极具应用前景的新一代存储器。

阻变存储器的一般结构是典型的三明治结构，有上下电极和设置在上下电极之间能够产生阻变现象的变阻材料。在外加偏压的作用下，会使器件的电阻状态发生高低阻态的转变，从而实现0和1的存储。对于阻变存储器而言，选择不同的阻变层材料对于器件而言会产生较大影响，可以说阻变层材料是阻变存储器的核心。

科学研究表明，能够作为阻变层的材料种类繁多，目前主要有四大类。一是钙钛矿氧化物。许多基于该材料的器件表现出双极性存储特性，但是这类材料制备工艺难度大，与传统的器件不兼容。二是过渡金属氧化物，过渡金属二元氧化物具有成分简单、成本低廉、易于制备、制造与CMOS工艺相兼容等优点，虽然基于过渡金属二元氧化物的阻变存储器件有很多优点，但其阻变机理尚不完全明确，而且器件的可靠性也有待研究，这在一定程度上阻碍了其发展和应用，这类阻变器件的发展前景并不是很明朗。三是固态电解质，这类阻变存储器具有典型的三明治结构，包括电化学活性电极（Ag、Cu等）、电化学惰性电极（W、Pt等）和固态电解质材料构成的阻变功能层。它们的阻变特性是由于活性金属电极材料发生电化学反应所产生的金属阳离子在电场作用下迁移而引起的金属导电细丝的形成与断裂所导致。当在活性金属电极施加适当的正向电压时，该活泼金属会发生氧化反应，变成相应的金属阳离子，在电场作用下经固态电解液材料向惰性电极迁移，到达惰性电极表面之后获得电子，发生还原反应产生金属原子。金属原子沉积在阴极，金属细丝首先在惰性电极一侧生长，当细丝完全生长并连接金属的活性电极后，形成导电通道，存储器由高阻态变为低阻态，器件导通。施加反向电压后，金属导电细丝会发生电化学溶解现象，形成导电通道的金属被氧化成金属阳离子，并在电场的作用下向活性电极迁移，此时导电通道断裂，存储器由低阻态转变为高阻态，器件切换为关闭状态。四是有机材料，目前有机材料制作简单，成本低廉，利用有机材料的双稳态特性制作阻变存储器的研究较为广泛。与无机材料相比，有机材料最大的优势在于种类繁多，可选择的余地大。尽管有机材料具有很多优点，但大多有机材料本身的稳定性和存储性能较差，不耐高温，耐久性和数据记忆特性也不好，且读、写、擦除等操作速度比较慢，这在一定程度上影响了有机材料在阻变存储器件领域的应用。因此，进一步研究阻值变化稳定、存储性能好、记忆特性好、抗疲劳耐久性好、读、写、擦除等操作速度快的存储器件是行业内积极探索的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种固态电解质阻变存储器，同时提供一种制备方法，以解决现有阻变存储器件存在阻值变化不稳定、存储性能较差、耐久性和数据记忆特性不好的问题。