一种含有纳米晶团簇的阻变存储器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种含有纳米晶团簇的阻变存储器及其制备方法，阻变层包括：第一氧化物层和第二氧化物层；第二氧化物层含有纳米晶团簇，纳米晶团簇的材料为偏金属化的金属氧化物，向阻变层施加正向偏压后，压降分配在第一氧化物层，第二氧化物层的氧空位按照垂直方向的浓度梯度有序进入第一氧化物层并在第一氧化物层形成第一导电细丝，诱导第二氧化物层形成第二导电细丝，使得阻变存储器由高阻态转变为低阻态；此后，向阻变层施加负向偏压后，压降先落在第一氧化物层，导致第一导电细丝熔断，阻变存储器由低阻态转变为高阻态，之后阻变存储器导电细丝的形成和断裂均在第一氧化物层内进行。本发明专利技术实现了对导电细丝形成和断裂区域的精准控制。域的精准控制。域的精准控制。

【技术实现步骤摘要】
一种含有纳米晶团簇的阻变存储器及其制备方法


[0001]本专利技术属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种含有纳米晶团簇的阻变存储器及其制备方法。

技术介绍

[0002]阻变存储器，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]阻变存储器常以过渡金属氧化物为基底，基于氧空位导电细丝原理，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氧空位导电细丝。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]通常以过渡金属氧化物为基底的阻变存储器在进行操作前常常需要一个较大的电压来实现电初始化，从而使得阻变材料软击穿形成较粗的氧空位导电细丝，但是此过程往往很容易对器件造成不和逆转的损伤以及会增加外围电路的设计难度。具备双层过渡金属氧化物阻变材料的阻变存储器，虽然在一定程度上可以减小上述的大初始化电压，但是却很难地控制导电细丝形成和断裂的具体位置，具有相对较高的操作电压与较大的差异性。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]此外，针对氧空位导电细丝的随机演变，研究人员提出了很多方案，如通过在物理气相沉积过程中改变工艺条件(如氩氧比等)来控制单层阻变材料中的氧空位浓度分布，采用不同工艺制备多层结构实现氧空位浓度梯度分布等等，这些方案虽然能在一定程度上改善氧空位导电细丝的随机演变，但是还是无法实现对氧空位浓度梯度的精准分布和氧空位导电细丝形成和断裂的精准控制。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种含有纳米晶团簇的阻变存储器及其制备方法，旨在解决现有阻变存储器导电细丝形成和断裂的具体位置难以精准控制的问题。
[0007]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种含有纳米晶团簇的阻变存储器，所述阻变存储器由下至上依次包括：第一电极、阻变层以及第二电极；所述阻变层包括：第一氧化物层和第二氧化物层；
[0008]所述第二氧化物层含有纳米晶团簇，所述第二氧化物层包括至少一种金属氧化物，且纳米晶团簇内的金属元素包含在第二氧化物层内的金属元素之中；所述纳米晶团簇的材料为偏金属化的金属氧化物，所述偏金属化的金属氧化物中金属化合价不高于该金属最高正化合价的一半，且纳米晶团簇的氧含量低于第二氧化物层的平均氧含量，使纳米晶团簇周围形成一定浓度的氧空位；所述纳米晶团簇在第二氧化物层中沿垂直方向呈梯度式
分布，使得纳米晶团簇周围的氧空位浓度在垂直方向呈梯度式分布；
[0009]所述第一氧化物层不含纳米晶团簇，所述第一氧化物层包括至少一种金属氧化物；所述第二氧化物层的氧空位浓度大于第一氧化物的氧空位浓度；
[0010]向阻变层施加正向偏压后，压降主要分配在初始阻值相对较高的第一氧化物层，第二氧化物层的氧空位按照垂直方向的浓度梯度有序进入第一氧化物层并在第一氧化物层形成第一导电细丝，此时第一氧化物层的阻值降低，压降重新分配，并诱导第二氧化物层形成第二导电细丝，使得阻变存储器由高阻态转变为低阻态；
[0011]此后，向阻变层施加负向偏压后，压降先落在阻值相对较高的第一氧化物层，导致第一导电细丝熔断，使得阻变存储器由低阻态转变为高阻态，此后压降不会再落在第二氧化物层，第二氧化物层中的第二导电细丝维持不变，之后阻变存储器导电细丝的形成和断裂均在第一氧化物层内进行。
[0012]在一个可选的示例中，所述阻变层由第一氧化物层和第二氧化物层依次层叠组成(AB)n、(ABA)n或A(BA)n结构，n≥1；其中，A为第二氧化物层，B为第一氧化物层。
[0013]在一个可选的示例中，当所述阻变层是(AB)n结构时，通过靠近第二氧化物层的电极向阻变层施加正向偏压和负向偏压；
[0014]当所述阻变层是(ABA)n或A(BA)n结构时，通过第一电极和第二电极中的任意电极向阻变层施加正向偏压和负向偏压。
[0015]在一个可选的示例中，所述第二氧化物层含有纳米晶团簇，纳米晶团簇内的金属元素包含在第二氧化物层内的金属元素之中，且纳米晶团簇的材料为偏金属化的金属氧化物，使得第二氧化物层的电子能谱中能够得到同种金属元素的至少两个不同峰值，以指示第二氧化物层中纳米晶团簇中金属氧化物的金属价态与第二氧化物层中对应金属氧化物的金属价态不同。
[0016]在一个可选的示例中，所述第一氧化物层和第二氧化物层均包括一元金属氧化物和二元金属氧化物中的至少一种金属氧化物。
[0017]在一个可选的示例中，所述纳米晶团簇在第二氧化物层中沿垂直方向呈梯度式分布，具体为：
[0018]当所述阻变层是(AB)n和(ABA)n结构时，纳米晶团簇的大小和数量中至少之一沿垂直方向呈一定的梯度式减小分布，且梯度的方向为由第二氧化物层指向第一氧化物层的方向或者为由第二氧化物层内部指向两侧的方向；
[0019]当所述阻变层是A(BA)n结构时，纳米晶团簇的大小和数量中至少之一沿垂直方向呈一定的梯度式减小分布，且梯度的方向为由第二氧化物层内部指向两侧的方向。
[0020]需要说明的是，本专利技术中提到的梯度方向指的是阻变层最小单元的梯度方向。
[0021]第二方面，本专利技术提供了一种含有纳米晶团簇的阻变存储器的制备方法，包括如下步骤：
[0022]S101、准备衬底；
[0023]S102、在衬底上沉积第一电极；
[0024]S103、在第一电极上沉积阻变层；所述阻变层包括第一氧化物层和第二氧化物层，所述第一氧化物层不含有纳米晶团簇，第二氧化物层含有纳米晶团簇；所述含有纳米晶团簇的第二氧化物层由溅射、原子层沉积、蒸发、脉冲激光沉积、热氧化法、化学气相沉积、离
子注入中的一种或者两种方法沉积；所述第二氧化物层包括至少一种金属氧化物，且纳米晶团簇内的金属元素包含在第二氧化物层内的金属元素之中；所述纳米晶团簇的材料为偏金属化的金属氧化物，所述偏金属化的金属氧化物中金属化合价不高于该金属最高正化合价的一半，且纳米晶团簇的氧含量低于第二氧化物层的平均氧含量；所述纳米晶团簇在第二氧化物层中沿垂直方向呈梯度式分布；
[0025]S104、在阻变层上沉积第二电极。
[0026]在一个可选的示例中，所述阻变层由第一氧化物层和第二氧化物层依次层叠组成(AB)n、(ABA)n或A(BA)n结构，n≥1；其中，A为第二氧化物层，B为第一氧化物层；
[0027]当所述阻变层为(AB)n结构时，所述步骤S103具体为：
[0028]S1031、在第一电极上沉积第一氧化物层；
[0029]S1032、在第一氧化物层上沉积含有纳米晶团簇的第二氧化物层；
[0030]S1033、重复步骤S1031、步骤S1032共n次；
[0031]当所述阻变层为(ABA)n结构时，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有纳米晶团簇的阻变存储器，所述阻变存储器由下至上依次包括：第一电极、阻变层以及第二电极；其特征在于，所述阻变层包括：第一氧化物层和第二氧化物层；所述第二氧化物层含有纳米晶团簇，所述第二氧化物层包括至少一种金属氧化物，且纳米晶团簇内的金属元素包含在第二氧化物层内的金属元素之中；所述纳米晶团簇的材料为偏金属化的金属氧化物，所述偏金属化的金属氧化物中金属化合价不高于该金属最高正化合价的一半，且纳米晶团簇的氧含量低于第二氧化物层的平均氧含量，使纳米晶团簇周围形成一定浓度的氧空位；所述纳米晶团簇在第二氧化物层中沿垂直方向呈梯度式分布，使得纳米晶团簇周围的氧空位浓度在垂直方向呈梯度式分布；所述第一氧化物层不含纳米晶团簇，所述第一氧化物层包括至少一种金属氧化物；所述第二氧化物层的氧空位浓度大于第一氧化物的氧空位浓度；向阻变层施加正向偏压后，压降主要分配在初始阻值相对较高的第一氧化物层，第二氧化物层的氧空位按照垂直方向的浓度梯度有序进入第一氧化物层并在第一氧化物层形成第一导电细丝，此时第一氧化物层的阻值降低，压降重新分配，并诱导第二氧化物层形成第二导电细丝，使得阻变存储器由高阻态转变为低阻态；此后，向阻变层施加负向偏压后，压降先落在阻值相对较高的第一氧化物层，导致第一导电细丝熔断，使得阻变存储器由低阻态转变为高阻态，此后压降不会再落在第二氧化物层，第二氧化物层中的第二导电细丝维持不变，之后阻变存储器导电细丝的形成和断裂均在第一氧化物层内进行。2.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述阻变层由第一氧化物层和第二氧化物层依次层叠组成(AB)n、(ABA)n或A(BA)n结构，n≥1；其中，A为第二氧化物层，B为第一氧化物层。3.根据权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于，当所述阻变层是(AB)n结构时，通过靠近第二氧化物层的电极向阻变层施加正向偏压和负向偏压；当所述阻变层是(ABA)n或A(BA)n结构时，通过第一电极和第二电极中的任意电极向阻变层施加正向偏压和负向偏压。4.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述第二氧化物层含有纳米晶团簇，纳米晶团簇内的金属元素包含在第二氧化物层内的金属元素之中，且纳米晶团簇的材料为偏金属化的金属氧化物，使得第二氧化物层的电子能谱中能够得到同种金属元素的至少两个不同峰值，以指示第二氧化物层中纳米晶团簇中金属氧化物的金属价态与第二氧化物层中对应金属氧化物的金属价态不同。5.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述第一氧化物层和第二氧化物层均包括一元金属氧化物和二元金属氧化物中的至少一种金属氧化物。6.根据权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于，所述纳米晶团簇在第二氧化物层中沿垂直方向呈梯度式分布，具体为：当所述阻变层是(AB)n和(ABA)n结构时，纳米晶团簇的大小和数量中至少之一沿垂直方向呈一定的梯度式减小分布，且梯度的方向为由第二氧化物层指向第一氧化物层的方向或者为由第二氧化物层内部指向两侧的方向；当所述阻变层是A(BA)n结构时，纳米晶团簇的大小和数量中至少之一沿垂直方向呈一定的梯度...

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