【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子，更具体地，涉及一种梯度掺杂的多层相变存储器、电操作方法及其制备方法。
技术介绍
1、在信息爆炸时代，由电子产品、云计算和大数据等产生的数据量急剧增加，对现有存储设备的性能提出了更高的要求。相变存储器作为一种新型非易失性存储器，在各方面都有优异的性能，具有广泛的适用范围和较低的成本，有着良好的应用前景。
2、相变存储器在电脉冲或光脉冲作用下能够进行不同阻态的可逆转化，其高低阻值比可高达104-105，具有很大的多值存储空间。通常情况下，二值存储的相变存储器利用的是高阻态和低阻态这两个稳定的状态，表现为两个平缓的台阶。当用于多值存储时，相变存储器阻值介于“高阻态”和“低阻态”之间没有平缓的停留台阶，这就使得中间态的阻值波动比较大，轻微的电流或电压波动就可能使阻值发生较大的改变，从而降低了抗噪声的容限，增加了多值存储的电路设计以及校验纠错的复杂程度，导致相变材料高达104-105的高低阻值比得不到充分利用，相变存储器的存储容量难以通过多值存储的方式进一步提高。为了充分利用相变材料的高低阻值比大的优点，提升相变存储器的存储容量，需要通过多值存储技术，达到更多的存储状态。
3、相变存储器的多值存储技术可以在每个存储单元中存储两个以上的逻辑状态，一方面使得在工艺难度不变的情况下提高存储器的存储密度，另一方面在人工神经网络和存算一体等前沿领域也有着极大的应用价值，可用于突破冯诺依曼架构瓶颈的新型存算融合架构。对相变存储器多值存储的研究成为当前研究的热点。
4、目前对于多值存储技术的研究
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种梯度掺杂的多层相变存储器、电操作方法及其制备方法，旨在解决现有的基于多层不同相变材料的相变存储器多值存储，由于无法保证多级缓变，导致无法应用于相变突触等神经形态器件的问题。
2、为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种梯度掺杂的多层相变存储器，包括：衬底、下电极、绝缘层、上电极和相变功能层；相变功能层设置在绝缘层中的孔内，相变功能层从下而上包括：第一相变层、第一隔离层、第二相变层、第二隔离层和第三相变层；
3、同一相变单元中的第一相变层、第二相变层和第三相变层为同种元素掺杂的同种相变薄膜，但掺杂的元素含量存在梯度差异，用于在不同脉冲信号的作用下形成不同的相变程度，呈现多种阻态，实现阻态四值特性和电阻缓变特性；
4、上电极和下电极用于为相变单元引入脉冲信号；绝缘层用于防止相变单元间导通以及便于相变单元间绝热。
5、进一步优选地，绝缘层的厚度为15nm～300nm，上电极和下电极的厚度均在5nm～200nm。
6、进一步优选地，第一相变层、第二相变层和第三相变层中的相变材料为sb单质、ge-te二元化合物、ge-sb二元化合物、sb-te二元化合物、bi-te二元化合物、in-se二元化合物、ge-sb-te三元化合物、ge-bi-te三元化合物或ge-sb-bi-te四元化合物中的至少一种，掺杂元素为c、cu、n、o、si、sc、ti、ag、in和zn中的至少一种。
7、进一步优选地，第一相变层、第二相变层和第三相变层的厚度均为5nm～100nm，第一隔离层、第二隔离层的厚度均为1nm～10nm，相变孔的直径在10nm～3000nm。
8、进一步优选地，第一隔离层和第二隔离层为c、tin、tite2、ta2o5或tio2中的一种。
9、进一步优选地，上电极和下电极材料分别为tiw、w、al、ta、pt、ag、cu或cun中的一种。
10、进一步优选地，绝缘层为sio2、al2o3、sic、(zns)x(sio2)100-x中的任意一种；其中，x为大于0小于100的整数。
11、第二方面，基于上述提供的梯度掺杂的多层相变存储器，本专利技术提供了相应的制备方法，包括以下步骤：
12、将下电极生长于清洁后的衬底上，在下电极上沉积绝缘层；
13、在绝缘层上形成圆形孔的光刻掩模后，利用刻蚀技术刻蚀绝缘层，直至露出下电极，形成贯穿绝缘层的通孔；
14、在通孔上套刻上电极孔，其中，上电极孔与绝缘层通孔中心对准；
15、依次沉积第一相变层、第一隔离层、第二相变层、第二隔离层和第三相变层；
16、沉积上电极层，然后利用剥离工艺去除光刻胶，完成多层相变存储器的制备。
17、进一步优选地，形成下电极层、绝缘层、相变层、隔离层或上电极层的方法为磁控溅射法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法中的一种；
18、进一步优选地，形成圆形孔或上电极孔的光刻掩模的方法为电子束曝光或紫外光刻中的一种；
19、进一步优选地，绝缘层的刻蚀技术为反应离子刻蚀或等离子体刻蚀中的一种。
20、第三方面，基于本专利技术提供的梯度掺杂的多层相变存储器，本专利技术提供了相应的多层相变存储器的电操作方法，具体为：
21、在相变单元上施加大脉宽脉冲信号，梯度掺杂的多层相变存储器呈现二值存储特性；
22、或在相变单元上施加中等脉宽脉冲信号，梯度掺杂的多层相变存储器呈现四值存储特性；
23、或在相变单元上施加小脉宽脉冲信号，梯度掺杂的多层相变存储器的电阻呈现多级缓变；
24、其中，大脉宽脉冲信号的脉宽大于等于40ns，且下降沿大于等于40ns；中等脉宽脉冲信号的脉宽为20ns～40ns，下降沿为20ns～40ns；小脉宽脉冲信号的脉宽小于20ns，下降沿小于20ns。
25、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：
26、本专利技术提供了一种梯度掺杂的多层相变存储器，其中，各相变层内掺杂含量的差异，导致相变温度等电热特性上存在差异，各相变层在不同电操作脉冲条件下发生相变，通过调控电脉冲参数，可以实现阻态四值特性和电阻缓变特性，不仅满足二进制存储的条件，有利于提高多层相变存储器的存储容量，甚至还能实现相变突触功能。
27、本专利技术提供了一种梯度掺杂的多层相变存储器，不同相变层的掺杂含量不同，各相变层之间由隔离层分隔开来，可以避免相变材料的相互扩散，实现稳定的多本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种梯度掺杂的多层相变存储器，其特征在于，包括：衬底、下电极、绝缘层、上电极和相变功能层；所述相变功能层设置在绝缘层中的孔内，相变功能层从下而上包括：第一相变层、第一隔离层、第二相变层、第二隔离层和第三相变层；
2.根据权利要求1所述的多层相变存储器，其特征在于，所述第一相变层、第二相变层和第三相变层中的相变材料为Sb单质、Ge-Te二元化合物、Ge-Sb二元化合物、Sb-Te二元化合物、Bi-Te二元化合物、In-Se二元化合物、Ge-Sb-Te三元化合物、Ge-Bi-Te三元化合物或Ge-Sb-Bi-Te四元化合物中的至少一种，掺杂元素为C、Cu、N、O、Si、Sc、Ti、Ag、In和Zn中的至少一种；
3.根据权利要求1或2所述的多层相变存储器，其特征在于，所述上电极和下电极材料分别为TiW、W、Al、Ta、Pt、Ag、Cu或CuN中的一种；
4.根据权利要求2所述的多层相变存储器，其特征在于，所述第一相变层、第二相变层和第三相变层的厚度均为5nm～100nm，第一隔离层、第二隔离层的厚度均为1nm～10nm，相变孔的直径在10nm～
5.根据权利要求3所述的多层相变存储器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为15nm～300nm，所述上电极和下电极的厚度均在5nm～200nm。
6.一种如权利要求1所述的多层相变存储器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的多层相变存储器的制备方法，其特征在于，形成所述下电极层、绝缘层、相变层、隔离层或上电极层的方法为磁控溅射法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法中的一种；形成所述圆形孔或上电极孔的光刻掩模的方法为电子束曝光或紫外光刻中的一种；所述绝缘层的刻蚀技术为反应离子刻蚀或等离子体刻蚀中的一种。
8.一种如权利要求1所述的多层相变存储器的电操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种梯度掺杂的多层相变存储器，其特征在于，包括：衬底、下电极、绝缘层、上电极和相变功能层；所述相变功能层设置在绝缘层中的孔内，相变功能层从下而上包括：第一相变层、第一隔离层、第二相变层、第二隔离层和第三相变层；
2.根据权利要求1所述的多层相变存储器，其特征在于，所述第一相变层、第二相变层和第三相变层中的相变材料为sb单质、ge-te二元化合物、ge-sb二元化合物、sb-te二元化合物、bi-te二元化合物、in-se二元化合物、ge-sb-te三元化合物、ge-bi-te三元化合物或ge-sb-bi-te四元化合物中的至少一种，掺杂元素为c、cu、n、o、si、sc、ti、ag、in和zn中的至少一种；
3.根据权利要求1或2所述的多层相变存储器，其特征在于，所述上电极和下电极材料分别为tiw、w、al、ta、pt、ag、cu或cun中的一种；
4.根据权利要求2所述的多层相变存储器，其特征...
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