[發(fā)明專(zhuān)利]一種高穩(wěn)定的單極性阻變存儲(chǔ)器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710906459.1
• 申請(qǐng)日: 2017-09-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107706205B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高雙;李潤(rùn)偉;劉鋼
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01L27/24
• 分類(lèi)號(hào): H01L27/24;H01L45/00
• 代理公司: 寧波元為知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33291
• 代理人: 單英

本發(fā)明提供了一種高穩(wěn)定的單極性阻變存儲(chǔ)器，其核心為“化學(xué)惰性陽(yáng)極/氧化物存儲(chǔ)介質(zhì)/化學(xué)活性陰極”三層膜結(jié)構(gòu)，氧化物存儲(chǔ)介質(zhì)和化學(xué)活性陰極之間自發(fā)進(jìn)行界面反應(yīng)而形成含有大量氧空位和低價(jià)氧化物的界面層；當(dāng)陽(yáng)極層和陰極層之間施加電壓時(shí)，在界面層作用下，氧化物存儲(chǔ)介質(zhì)中形成的導(dǎo)電細(xì)絲在陽(yáng)極附近具有尖端結(jié)構(gòu)，電壓發(fā)生變化引起的導(dǎo)電細(xì)絲形成和斷開(kāi)發(fā)生在該尖端附近，因此抑制了導(dǎo)電細(xì)絲的隨機(jī)形成和斷開(kāi)，能夠獲得高穩(wěn)定的單極性阻變行為。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種阻變存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高穩(wěn)定的單極性阻變存儲(chǔ)器。

背景技術(shù)

在本世紀(jì)初，由于移動(dòng)通信、社交媒體、遠(yuǎn)程遙感等多樣化信息產(chǎn)生和傳播途徑的飛速發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)正式邁進(jìn)了“大數(shù)據(jù)時(shí)代”。面對(duì)如此種類(lèi)繁多且體積龐大的數(shù)據(jù)，人們首先要解決的就是如何方便快捷且安全可靠地將其存儲(chǔ)。當(dāng)前，市場(chǎng)上的主流存儲(chǔ)器包括動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、硬盤(pán)和閃存三種，但各自都有明顯的性能缺陷，比如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的易失性、硬盤(pán)的慢讀寫(xiě)速度和閃存的低擦寫(xiě)耐受性。因此，全球半導(dǎo)體行業(yè)正在迫切尋找一種能兼具動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、硬盤(pán)和閃存三者優(yōu)勢(shì)的新型存儲(chǔ)器。

阻變存儲(chǔ)器已被公認(rèn)是一種有前途的高速、高密度、低功耗、耐擦寫(xiě)且廉價(jià)的非易失性存儲(chǔ)概念，其存儲(chǔ)單元為簡(jiǎn)單的“陽(yáng)極/存儲(chǔ)介質(zhì)/陰極”三層膜結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)介質(zhì)具有電阻轉(zhuǎn)變性質(zhì)，在陽(yáng)極與陰極之間調(diào)控施加電壓可以使存儲(chǔ)單元的電阻在高低阻值切換。目前研究表明，大多數(shù)阻變存儲(chǔ)器在電壓作用下材料內(nèi)部的帶電缺陷經(jīng)過(guò)一系列氧化還原反應(yīng)形成了連通陽(yáng)極和陰極的導(dǎo)電通道，本文中將該導(dǎo)電通道稱為“導(dǎo)電細(xì)絲”。在電壓調(diào)控下，該導(dǎo)電細(xì)絲發(fā)生形成和斷開(kāi)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)著器件表現(xiàn)為低電阻態(tài)和高電阻態(tài)，因此阻變器件的性能與導(dǎo)電細(xì)絲的形成狀態(tài)密切相關(guān)。

根據(jù)擦寫(xiě)電壓極性的異同，阻變存儲(chǔ)器可分為“單極性”和“雙極性”兩種，前者的擦寫(xiě)電壓極性相同，而后者的則相反。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，單極性阻變存儲(chǔ)器更具優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)槠渫瑯O性擦寫(xiě)操作有利于實(shí)現(xiàn)更高的集成密度和更簡(jiǎn)化的外圍控制電路。

當(dāng)前，阻變穩(wěn)定性差是限制單極性阻變存儲(chǔ)器商業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題。研究表明，阻變存儲(chǔ)器的穩(wěn)定性與導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷開(kāi)位置密切相關(guān)，但是目前具有三層膜結(jié)構(gòu)的阻變器件中，帶電缺陷在均勻電場(chǎng)作用下遷移的隨機(jī)性很強(qiáng)，在器件連續(xù)擦寫(xiě)過(guò)程中導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷開(kāi)的位置具有隨機(jī)性，這是造成器件性能不穩(wěn)定的主要因素。為了抑制導(dǎo)電細(xì)絲形成和斷開(kāi)的隨機(jī)性，人們已經(jīng)提出了金屬納米顆粒摻雜存儲(chǔ)介質(zhì)和微納加工金字塔型電極兩種主要方法。雖然這二者確實(shí)可以提高單極性阻變穩(wěn)定性，但都因過(guò)于復(fù)雜且與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容而難以實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明旨在提供一種單極性阻變存儲(chǔ)器，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和阻變穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種高穩(wěn)定的單極性阻變存儲(chǔ)器，在絕緣基體表面具有“陽(yáng)極/存儲(chǔ)介質(zhì)/陰極”三層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，如圖1所示，所述陽(yáng)極層位于絕緣基體表面，是具有化學(xué)惰性的金屬；所述存儲(chǔ)介質(zhì)層位于陽(yáng)極層表面，是具有電阻轉(zhuǎn)變性質(zhì)的氧化物；所述陰極層位于存儲(chǔ)介質(zhì)層表面，是具有化學(xué)活性的金屬，陰極層與存儲(chǔ)介質(zhì)層之間通過(guò)自發(fā)氧化還原反應(yīng)生成界面層。

工作狀態(tài)時(shí)，陽(yáng)極層與陰極層之間施加電壓，由于界面層的作用，氧化物存儲(chǔ)介質(zhì)中形成的導(dǎo)電細(xì)絲在陽(yáng)極附近具有尖端結(jié)構(gòu)，參考圖2所示，電壓發(fā)生變化引起的導(dǎo)電細(xì)絲形成和斷開(kāi)發(fā)生在該尖端附近。

作為一種情況，陽(yáng)極與陰極之間的導(dǎo)電細(xì)絲呈錐形。

作為優(yōu)選，所述存儲(chǔ)介質(zhì)層的厚度為5納米～15納米。

所述的導(dǎo)電細(xì)絲是指在陽(yáng)極與陰極之間施加電壓時(shí)，阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)層中形成的連通陽(yáng)極和陰極的導(dǎo)電通道，阻變存儲(chǔ)器呈低阻態(tài)。當(dāng)調(diào)控施加電壓時(shí)，該導(dǎo)電通道可發(fā)生熔斷，即導(dǎo)電細(xì)絲呈斷開(kāi)狀態(tài)，阻變存儲(chǔ)器呈高阻態(tài)。

所述陽(yáng)極材料具有化學(xué)惰性主要是指對(duì)氧元素具有化學(xué)惰性，即，在一般條件下該陽(yáng)極不易被氧化。