一种具有叠层结构忆阻器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有叠层结构忆阻器及其制备方法，属于微电子器件领域。包括：第一电极、阻变层和第二电极；阻变层设置在第一电极和第二电极之间，为第一氧化物层/第二氧化物层/第一氧化物层/

【技术实现步骤摘要】
一种具有叠层结构忆阻器及其制备方法


[0001]本专利技术属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种具有叠层结构忆阻器及其制备方法。

技术介绍

[0002]阻变存储器，又称忆阻器，作为一种新兴的存储器件，以其结构和工艺简单、操作简便、高密度、低功耗、高速、与CMOS工艺兼容等优势，成为后摩尔时代新型存储器的有利竞争者之一。
[0003]忆阻器以阻变材料为基底，如常用的过渡金属氧化物等，可通过对其施加适用于CMOS集成电路的操作电压，来使位于上下电极间的阻变材料形成和熔断导电细丝。在过渡金属氧化物阻变材料中，氧空位导电细丝区域具有比非导电细丝区域更低的阻值。因此，器件可以在外加电压的条件下，在高电阻状态和低电阻状态之间来回切换。
[0004]通常情况下，具备单层过渡金属氧化物阻变材料的忆阻器，在进行操作前需要一个大电压进行电初始化，从而使得阻变材料软击穿形成较粗的氧空位导电细丝，接着在电极两端施加负向操作电压，熔断此较粗的氧空位导电细丝，随后施加正向操作电压会形成较细的氧空位导电细丝。上述过程中的大电压电初始化过程会导致外围驱动电路设计复杂化，并且很可能会造成器件失效及良率下降。另一方面，导电细丝的形成位置、数量、形状、粗细都是随机的、不可控的，这会严重影响器件性能的一致性。
[0005]现有的多层结构忆阻器中，多个金属氧化层的结构为AB、(AB)
n
、(ABC)
n
(参见专利CN105264682B)、ABA型(参见专利CN103311433A、US8749023B2)。
[0006]然而，现有的多层结构忆阻器存在以下缺陷和不足：1)AB、(AB)
n
、(ABC)
n
型忆阻器的各层阻变材料通常非同一种材料体系，首先这会增加阻变层内各层阻变材料之间的界面势垒效应，加大载流子迁移的随机性，对器件的阻变特性产生较大的影响；其次这几类结构内建势场的方向性不够明确，并不能很好的精准控制导电细丝的形成和断裂，仍然存在一定的随机性。2)ABA型忆阻器阻变层的层数较少，阻变层内部的内建势场不够强，很难实现氧空位导电细丝的精准局域化，不能很好地减弱导电细丝的随机演变。
[0007]因此，有必要提供一种具有同质材料的A(BA)
n
型复合叠层结构的忆阻器，来实现对阻变层内导电细丝形成和断裂的精准控制，大大减弱导电细丝的随机演变，有效地解决了现有忆阻器一致性差、耐久度低、阻态保持能力差、大初始化电压等问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种具有叠层结构忆阻器及其制备方法，旨在解决忆阻器一致性差、耐久度低、阻态保持能力差、大初始化电压等问题。
[0009]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种具有叠层结构忆阻器，包括：
[0010]第一电极、阻变层和第二电极；
[0011]所述阻变层设置在第一电极和第二电极之间；
[0012]所述阻变层为第一氧化物层/第二氧化物层/第一氧化物层/
…
第二氧化物层/第一氧化物层，即A(BA)
n
型，且n为不小于2的正整数。
[0013]优选地，第一氧化物层和第二氧化物层材料体系相同，为一元金属氧化物或者二元金属氧化物中的一种或者多种。
[0014]需要说明的是，本专利技术采用同一材料体系的多层阻变材料，可以大大减小多层阻变层之间的界面势垒效应，减弱因界面势垒效应而导致的载流子的随机迁移现象，有利于忆阻器一致性、耐久度和阻态保持能力的提升。
[0015]优选地，第一氧化物层和第二氧化物层的阻变材料相同。
[0016]优选地，第一氧化物层的固定氧空位浓度值或最低氧空位浓度值大于第二氧化物层的固定氧空位浓度值或最高氧空位浓度值。
[0017]需要说明的是，不同氧空位浓度氧化物层的叠层结构，能够有效地促使外加电场的不均匀分布，使得器件的初始化电压大为降低，避免大初始化电压对器件造成的不可逆性损害。
[0018]优选地，第一氧化物层的厚度不超过50纳米，第二氧化物层的厚度不超过100纳米，阻变层的总厚度不超过500纳米。
[0019]优选地，忆阻器还包括：硅基衬底和隔离层；硅基衬底设置在第一电极下方；隔离层，用于对阻变层进行保护以及对相邻器件单元进行隔离。
[0020]为实现上述目的，第二方面，本专利技术提供了一种具有叠层结构忆阻器的制备方法，包括：
[0021]S1、衬底准备；
[0022]S2、在衬底上图形化第一电极；
[0023]S3、沉积第一电极；
[0024]S4、在第一电极上沉积隔离层；
[0025]S5、选择性刻蚀第一电极上预设区域的隔离层，直至完全暴露出第一电极图形；
[0026]S6、在第一电极上沉积第一氧化物层；
[0027]S7、在第一氧化物上沉积第二氧化物层；
[0028]S8、在第二氧化物层上沉积第一氧化物层；
[0029]S9、重复步骤S7和S8，在第一氧化物层上交替沉积第二氧化物层和第一氧化物层，直至形成A(BA)
n
型叠层结构，n为不小于2的正整数；
[0030]S10、图形化第二电极；
[0031]S11、沉积第二电极。
[0032]优选地，第一氧化物层和第二氧化物层的制备工艺一致或者不一致，且一致时采用不同的工艺参数，以得到不同的氧空位浓度。
[0033]需要说明的是，利用不同薄膜制备工艺沉积同种阻变材料，大大减小多层阻变层内部的界面效应，可以改善忆阻器一致性差、耐久度低、阻态保持能力差等问题。
[0034]优选地，第一氧化物层和第二氧化物层的制备工艺为以下任一种：溅射、原子层沉积、蒸发、脉冲激光沉积、热氧化法或者化学气相沉积。
[0035]优选地，隔离层采用化学气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积或者热氧化法中的任一种方法沉积。
[0036]总体而言，通过本专利技术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：
[0037]本专利技术提出一种A(BA)
n
型叠层结构忆阻器，第一、每个最小的重复单元为ABA型，形成由相邻的两层A指向中间层B的氧空位内建势场，方向性明确，促进氧空位导电细丝的有序演变，有利于忆阻器一致性、耐久度和阻态保持能力的提升；第二、采用n≥2的多层叠层结构，可以有效增强阻变层内部的内建氧空位势场，更好地局域化氧空位导电细丝的形成和断裂，仍然有利于忆阻器一致性、耐久度和阻态保持能力的提升；第三、初始状态下，阻变层整体的氧空位分布区域较大，可以有效降低初始化电压，采用不同氧空位浓度氧化物层的叠层结构，能够有效地促使外加电场的不均匀分布，避免大初始化电压对器件造成的不可逆性损害。综上所述，在不增加叠层复杂度的情况下，本专利技术提出的叠层忆阻器可以更好地实现外部施加电场分布局域化，进而更精准地控制导电细丝形成和断裂的区域，有效地解决了现有忆阻器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有叠层结构忆阻器，其特征在于，包括：第一电极、阻变层和第二电极；所述阻变层设置在第一电极和第二电极之间；所述阻变层为第一氧化物层/第二氧化物层/第一氧化物层/
…
第二氧化物层/第一氧化物层，即A(BA)
n
型，且n为不小于2的正整数。2.如权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，第一氧化物层和第二氧化物层材料体系相同，为一元金属氧化物或者二元金属氧化物中的一种或者多种。3.如权利要求2所述的忆阻器，其特征在于，第一氧化物层和第二氧化物层的阻变材料相同。4.如权利要求3所述的忆阻器，其特征在于，第一氧化物层的固定氧空位浓度值或最低氧空位浓度值大于第二氧化物层的固定氧空位浓度值或最高氧空位浓度值。5.如权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，第一氧化物层的厚度不超过50纳米，第二氧化物层的厚度不超过100纳米，阻变层的总厚度不超过500纳米。6.如权利要求1至5任一项所述的忆阻器，其特征在于，忆阻器还包括：硅基衬底和隔离层；硅基衬底设置在第一电极下方；隔离层，用于对阻变层进行保护以及对相邻器件单元进行隔离。7.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祎，任升广，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：