一种基于硫化钨纳米片的阻变存储器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于硫化钨纳米片的阻变存储器及其制备方法，所述忆阻器的结构从下到上依次包括Pt衬底、在所述Pt衬底上形成的第一ZrO2阻变层、在所述第一ZrO2阻变层上形成的WS2纳米片介质层、在所述WS2纳米片介质层上形成的第二ZrO2阻变层以及在所述第二ZrO2阻变层上形成的Ag电极层。本发明专利技术提供的阻变存储器通过性能检测证明其具有良好的阻变特性，呈现出较为稳定的阻值变化，高电阻值和低电阻值之间相差较大，不容易造成误读，而且该WS2纳米片阻变存储器在高阻态和低阻态下的抗疲劳特性均比较优异。

A Variable Resistance Memory Based on Tungsten Sulfide Nanosheets and Its Preparation Method

The invention provides a resistive memory based on tungsten sulfide nanosheets and a preparation method thereof. The structure of the memristor includes a Pt substrate, a first ZrO 2 resistive layer formed on the Pt substrate, a WS2 nanosheet dielectric layer formed on the first ZrO 2 resistive layer, a second ZrO 2 resistive layer formed on the WS2 nanosheet dielectric layer and a second ZrO 2 resistive layer formed on the second ZrO 2 nanosheet dielectric layer. Ag electrode layer formed on the resistance layer. The resistance memory provided by the invention has good resistance characteristics and shows relatively stable resistance changes. The difference between high resistance and low resistance values is large, and it is not easy to cause misreading. Moreover, the WS2 nano-chip resistance memory has excellent anti-fatigue characteristics in high resistance and low resistance states.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硫化钨纳米片的阻变存储器及其制备方法
本专利技术涉及阻变存储器
，具体涉及一种基于硫化钨纳米片的阻变存储器及其制备方法。
技术介绍
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。二是过度金属氧化物，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。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种阻变存储器，以解决现有阻变存储器阻变稳定性和抗疲劳耐久性不理想的问题。本专利技术的目的之二在于提供一种阻变存储器的制备方法。本专利技术的目的之一是通过以下技术方案实现的：一种阻变存储器，其结构从下到上依次包括Pt衬底、在所述Pt衬底上形成的第一ZrO2阻变层、在所述第一ZrO2阻变层上形成的WS2纳米片介质层、在所述WS2纳米片介质层上形成的第二ZrO2阻变层以及在所述第二ZrO2阻变层上形成的Ag电极层。所述WS2纳米片介质层的厚度为10~100nm。所述第一ZrO2阻变层和第二ZrO2阻变层的厚度均为5~50nm。所述Ag电极层由若干均匀分布在第二ZrO2阻变层上的直径为80~300μm的圆形电极构成。所述圆形电极的厚度为50~200nm。本专利技术还提供了上述阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：（a）将Pt衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中用超声波清洗，取出后用N2吹干；（b）将干燥洁净的Pt衬底固定到磁控溅射设备腔体的衬底台上，并将腔体抽真空至1×10-4~6×10-4Pa，向腔体内通入流量为20~75sccm的Ar和10~40sccm的O2，调整接口阀使腔体内的压强维持在1~6Pa，打开控制ZrO2靶材起辉的射频源，调整射频源功率为60~100W，使ZrO2靶材起辉，预溅射1~5min；之后正式溅射10~30min，在Pt衬底上形成了第一ZrO2阻变层；（c）将形成有第一ZrO2阻变层的Pt衬底置于甩胶机的托盘上，用针管吸取WS2溶液滴加到衬底上，设置转速为300~2000r/min，使WS2溶液在Pt衬底上甩匀，之后使WS2溶液自然蒸发，即形成了层状的WS2纳米片介质层；（d）将形成有第一ZrO2阻变层和WS2纳米片介质层的Pt衬底固定到磁控溅射设备腔体的衬底台上，并将腔体抽真空至1×10-4~6×10-4Pa，向腔体内通入流量为20~75sccm的Ar和10~40sccm的O2，调整接口阀使腔体内的压强维持在1~6Pa，打开控制ZrO2靶材起辉的射频源，调整射频源功率为60~100W，使ZrO2靶材起辉，预溅射1~5min；之后正式溅射10~30min，在WS2纳米片介质层上形成了第二ZrO2阻变层；（e）在形成有第一ZrO2阻变层、WS2纳米片介质层和第二ZrO2阻变层的Pt衬底上放置掩膜版，将腔体抽真空至1×10-4~4×10-4Pa，向腔体内通入流量为20~30sccm的Ar，调整接口阀使腔体内的压强维持1~6Pa，打开控制Ag靶材起辉的直流源，调整直流源功率为8~11W，使Ag靶材起辉，预溅射4~6min；之后正式溅射6~10min，在第二ZrO2阻变层上形成Ag电极层。步骤（b）中的第一ZrO2阻变层和步骤（d）中的第二ZrO2阻变层的厚度均为5~50nm。步骤（c）中，所述WS2溶液是将WS2溶于乙醇溶液并充分混合制成，WS2:乙醇溶液=1mg:1mL；所述WS2纳米片介质层的厚度为10~100nm。步骤（e）中，所述掩膜版上均布有直径为80~300μm的圆形孔。步骤（e）中，所述Ag电极层由若干均匀分布在第二ZrO2阻变层上的直径为80~300μm的圆形电极构成，所述圆形电极的厚度为50~200nm。本专利技术提供的WS2纳米片阻变存储器通过滴涂并用甩胶机甩匀的方法形成WS2纳米片介质层，并用磁控溅射法二次生长ZrO2阻变层，所得阻变存储器通过性能检测证明其具有良好的阻变特性，呈现出较为稳定的阻值变化，高电阻值和低电阻值之间相差较大，不容易造成误读，而且该WS2纳米片阻变存储器在高阻态和低阻态下的抗疲劳特性均比较优异。本专利技术提供的制备方法简单易行、操作性好，优化了器件性能，其有别于传统使用氧化物制备的存储器件，结构新颖独特，性能表现良好，使阻变存储器存储性能更为稳定、耐久性强，应用前景更为广阔。附图说明图1为阻变存储器的结构示意图。图2为实施例2在制备WS2纳米片阻变存储器时使用的磁控溅射设备的结构示意图。图3为实施例2制备的WS2纳米片阻变存储器WS2介质层扫描电子显微镜（SEM）图片。图4为实施例2添加WS2纳米片优化前后的电流电压特性forming曲线对比图。图5为实施例2添加WS2纳米片优化前后的高低阻态保持特性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阻变存储器，其特征在于，其结构从下到上依次包括Pt衬底、在所述Pt衬底上形成的第一ZrO2阻变层、在所述第一ZrO2阻变层上形成的WS2纳米片介质层、在所述WS2纳米片介质层上形成的第二ZrO2阻变层以及在所述第二ZrO2阻变层上形成的Ag电极层。

【技术特征摘要】
1.一种阻变存储器，其特征在于，其结构从下到上依次包括Pt衬底、在所述Pt衬底上形成的第一ZrO2阻变层、在所述第一ZrO2阻变层上形成的WS2纳米片介质层、在所述WS2纳米片介质层上形成的第二ZrO2阻变层以及在所述第二ZrO2阻变层上形成的Ag电极层。2.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述WS2纳米片介质层的厚度为10~100nm。3.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述第一ZrO2阻变层和第二ZrO2阻变层的厚度均为5~50nm。4.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述Ag电极层由若干均匀分布在第二ZrO2阻变层上的直径为80~300μm的圆形电极构成。5.根据权利要求4所述的阻变存储器，其特征在于，所述圆形电极的厚度为50~200nm。6.一种阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（a）将Pt衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中用超声波清洗，取出后用N2吹干；（b）将干燥洁净的Pt衬底固定到磁控溅射设备腔体的衬底台上，并将腔体抽真空至1×10-4~6×10-4Pa，向腔体内通入流量为20~75sccm的Ar和10~40sccm的O2，调整接口阀使腔体内的压强维持在1~6Pa，打开控制ZrO2靶材起辉的射频源，调整射频源功率为60~100W，使ZrO2靶材起辉，预溅射1~5min；之后正式溅射10~30min，在Pt衬底上形成了第一ZrO2阻变层；（c）将形成有第一ZrO2阻变层的Pt衬底置于甩胶机的托盘上，用针管吸取WS2溶液滴加到衬底上，设置转速为300~2000r/min，使WS2溶液在Pt衬底上甩匀，之后使WS2溶液自然蒸发，即形成了层状的WS2纳米片介质层；（d）将形成有第一ZrO2阻变层和WS2纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫小兵，秦翠亚，任德亮，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：河北,13