CN102157684A - 一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器 - Google Patents
一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102157684A CN102157684A CN2010105932663A CN201010593266A CN102157684A CN 102157684 A CN102157684 A CN 102157684A CN 2010105932663 A CN2010105932663 A CN 2010105932663A CN 201010593266 A CN201010593266 A CN 201010593266A CN 102157684 A CN102157684 A CN 102157684A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon nano
- tube
- cnt
- solid
- electrolytic solution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Abstract
一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，包括下电极、上电极、绝缘介质和碳纳米管，绝缘介质位于下电极和上电极之间并形成限制结构，在限制结构内生长碳纳米管，碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，绝缘薄膜的材料为二氧化硅。本发明的优点是：用碳纳米管代替通常的硫化物质作为固态电解液材料，把金属离子和金属束缚在碳纳米管内，使导电通道的导电和断开在固有的碳纳米管内部发生，抑制了金属和金属离子的扩散，可有效地提高阻变存储器的可控性和高温条件下对数据的长久保持能力。同时由于用碳纳米管替代了有污染性的硫化物质，具有与传统的硅平面CMOS工艺兼容的优点，有利于推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及电子制造及存储技术领域，特别是涉及以一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器。
背景技术
随着多媒体应用、移动通信等对大容量、低功耗存储的需要，非挥发性存储器，特别是闪速存储器，所占半导体器件的市场份额变得越来越大，也越来越成为一种相当重要的存储器。非挥发性存储器的主要特点是在不加电的情况下也能够长期保存存储的信息，它既有只读存储器的特点，又有很高的存取速度。
当前市场上的非挥发性存储器以闪存为主流，但是闪存器件存在操作电压过大、操作速度慢、耐久力不够好以及由于在期间所消化过程中过薄的隧穿氧化层将导致记忆时间不过长等缺点。理想的非挥发性存储器应具备操作电压低、结构简单、非破坏性读取、操作速度快、记忆时间长、器件面积小、耐久了好等条件。目前已经对好多新型材料和器件进行了研究，试图来达到上述的目标，其中有相当部分的新型存储器器件都采用电阻值的改变来作为记忆的方式，包括阻变存储器及采用固态电解液材料的阻变存储器。
一般固体电解液阻变存储器主要是基于在电场作用下金属导电桥在固态电解液中的形成和消失的。其工作原理是：金属上电极A在电场作用下氧化成为金属离子A+，金属离子A+在固态电解液B中进行传输，最终达到惰性下电极C，在下电极C处金属离子A+被还原成为金属A，随着金属不断在下电极C处沉积，最终达到上电极A，形成金属导电桥，器件电阻处于低阻状态；在反向电场作用下，该金属导电桥断开，器件恢复到高祖状态。这两种电阻状态可以在外加电场的作用相互转换。
但是目前所提出的固态电解液材料通常采用硫化物质，例如CuS、AG-Ge-Se、Ge-Se、ZnCdS、AgI以及Cu-Ge-S等等。第一，众所周知，这些硫系物质对工艺的污染使其与标准的CMOS工艺不具兼容性。第二，由于热稳定性差，影响了器件在高温环境下的电阻状态的稳定性，因此减弱了存储器对数据的保持能力。第三，由于形成的金属导电桥在大小，数量上具有极大的随机性，这导致器件在电压和电流上的波动从而影响了存储器的可控性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，该阻变存储器利用碳纳米管作为固态电解液，首先可以克服现有硫化物固态电解液阻变存储器与CMOS工艺不兼容的问题，其次改善现有固态电解液阻变存储器在高温环境下电阻状态的稳定性，提高对数据的保持能力，再次可以控制金属导电桥的大小和数量，提高器件的可控性。
本发明的技术方案：
一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，包括下电极、上电极、绝缘介质和碳纳米管，绝缘介质位于下电极和上电极之间并形成限制结构(confined structure)，在限制结构内生长碳纳米管；所述下电极和上电极的材料为在电场作用下性质稳定的金属、导电化合物或在电场作用下易于被氧化为金属离子的金属，但上电极和下电极不能同时使用性质相同的所述电极材料；所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管；所述绝缘薄膜的材料为二氧化硅。
所述下电极的厚度为5nm～200nm。
所述上电极的厚度为5nm～200nm。
所述在电场作用下性质稳定的金属为铂、铱或钌。
所述导电化合物为氧化钛、氧化钌或氧化铟锡。
所述在电场作用下易于被氧化为金属离子的金属为铜、银、鉄、锌或镍。
所述绝缘介质形成限制结构的口径宽度为10nm～10um。
所述碳纳米管为P型单壁碳纳米管、N型单壁碳纳米管、单壁绝缘碳纳米管、P型多壁碳纳米管、N型多壁碳纳米管或多壁绝缘碳纳米管，碳纳米管的直径＞6nm、长度为5nm～5um；利用化学机械抛光工艺(CMP)抛光处理后的碳纳米管的长度为5nm～5um。
所述绝缘薄膜材料二氧化硅的厚度为10nm～10um。
本发明的工作机理：
在通常的固态电解液阻变存储器中，金属上电极在电场作用下氧化成为金属离子A+，A+离子在固态电解液B中进行传输，最终达到惰性下电极C，在C处A+离子被还原成为金属A，随着金属A不断在C处沉积，最终达到上电极A，形成金属导电桥，器件电阻处于低阻状态。这种转变形成的金属导电桥在大小，数量上具有极大的随机性。这导致器件在电压和电流上的波动从而影响了存储器的可控性。另一方面，通常的固态电解液阻变存储器中，为了提高金属离子的移动性，通常采用结构比较疏松的硫化物质作为固态电解液材料。但硫化物质的热稳定性较差，在高温条件下，金属离子和金属获得热能在热稳定性较差的硫化物质中更容易移动。处于低阻态时，组成连通上电极和下电极导电桥的金属获得热能倾向于向周围扩散。这导致连通上电极和下电极的金属导电桥的断开，其结果是器件的电阻从低阻态转变为高阻态，丢失了原有数据。反之同理。从而影响存储器对数据的保持能力。
本发明的有益效果：
基于以上考虑，本发明通过使用碳纳米管作为固体电解液阻变存储器中固态电解液材料，有效地提高固态电解液阻变存储的稳定性，可控性及高温条件下对数据的保持能力。碳纳米管具有典型的管状中空结构特征，因此中空的碳纳米管可以作为连通上电极和下电极的通道，金属离子进入这碳纳米管并在其内传输，到达下电极的金属离子被不断还原成金属，最终达到上电极，这样在碳纳米管的内部形成纳米金属导电桥。器件电阻处于低阻状态：在反向电场作用下，该纳米金属导电桥断开，器件恢复到高祖状态，导电通道的导电和断开在固有的碳纳米管内部发生。因此通过控制碳纳米管的数量和直径，可以有效的控制器件电压和电流的波动，提高存储器的可控性。另一方面，由于金属离子或金属被束缚在碳纳米管内。即使在高温条件下，也可以有效的抑制金属离子或金属向周围的扩散，有利于器件对原有阻态的保持，提高存储器在高温环境下对数据的长久保持能力，最终制造出性能可靠的新型超大规模非挥发性存储器。
附图说明
附图为该固态电解液阻变存储器结构示意图，其中(a)低阻态(b)高阻态。
图中：1.下电极 .2.绝缘介质 3.碳纳米管 4.上电极
具体实施方式
实施例：
该阻变存储器，包括下电极1、上电极4、碳纳米管3和绝缘介质2，下电极的材料选用50nm铂金属，上电极的材料选用50nm铜金属，二氧化硅绝缘介质厚度为500nm，在二氧化硅绝缘介质上形成confined structure，口径宽度是150纳米，在confined structure内生长碳纳米管，碳纳米管选用直径和长度分别为100nm和3um的多壁绝缘碳纳米管，通过CMP控制碳纳米管的长度为200nm。
该阻变存储器的制备步骤如下：
1)利用PVD(physical vapor deposition)或CVD(chemical vapor deposition)工艺沉积下电极，下电极的厚度为50nm铂金属；
2)利用PVD(physical vapor deposition)或CVD(chemical vapor deposition)工艺沉积绝缘膜介质二氧化硅，其厚度为500nm；
3)通过常规的光刻和刻蚀工艺形成露出下电极的限制结构(confinedstructure)，所述限制结构的口径宽度为150nm；
4)利用常规的工艺在下电极上镀上催化剂薄膜；
5)利用常规的工艺生长碳纳米管；所述碳纳米管的直径和长度分别为100nm和3um；
6)利用PVD(physical vapor deposition)或CVD(chemical vapor deposition)工艺沉积绝缘膜介质以填充限制结构；
7)利用常规的化学机械抛光工艺进行抛光处理以控制碳纳米管的长度，抛光后的碳纳米管的长度为200nm；
8)利用PVD(physical vapor deposition)或CVD(chemical vapor deposition)工艺沉积上电极，其厚度为50nm铜金属。
本发明的阻变存储器充分利用了上述阻变材料的稳定阻变特性、可靠性高。除上述实施例阻变存储器为，利用上述阻变特性的材料，还可以构造其他器件结构
以上所述仅为发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，其特征在于：包括下电极、上电极、绝缘介质和碳纳米管，绝缘介质位于下电极和上电极之间并形成限制结构(confined structure)，在限制结构内生长碳纳米管；所述下电极和上电极的材料为在电场作用下性质稳定的金属、导电化合物或在电场作用下易于被氧化为金属离子的金属，但上电极和下电极不能同时使用性质相同的所述电极材料；所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管；所述绝缘薄膜的材料为二氧化硅。
2.根据权利要求1所述利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，其特征在于：所述下电极的厚度为5nm～200nm。
3.根据权利要求1所述利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，其特征在于：所述上电极的厚度为5nm～200nm。
4.根据权利要求1所述利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，其特征在于：所述在电场作用下性质稳定的金属为铂、铱或钌。
5.根据权利要求1所述利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，其特征在于：所述导电化合物为氧化钛、氧化钌或氧化铟锡。
6.根据权利要求1所述利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，其特征在于：所述在电场作用下易于被氧化为金属离子的金属为铜、银、铁、锌或镍。
7.根据权利要求1所述利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，其特征在于：所述绝缘介质形成限制结构的口径宽度为10nm～10um。
8.根据权利要求1所述利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，其特征在于：所述碳纳米管为P型单壁碳纳米管、N型单壁碳纳米管、单壁绝缘碳纳米管、P型多壁碳纳米管、N型多壁碳纳米管或多壁绝缘碳纳米管，碳纳米管的直径＞6nm、长度为5nm～5um；利用化学机械抛光工艺(CMP)抛光处理后的碳纳米管的长度为5nm～5um。
9.根据权利要求1所述利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器，其特征在于：所述绝缘薄膜材料二氧化硅的厚度为10nm～10um。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010593266.3A CN102157684B (zh) | 2010-12-17 | 2010-12-17 | 一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010593266.3A CN102157684B (zh) | 2010-12-17 | 2010-12-17 | 一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102157684A true CN102157684A (zh) | 2011-08-17 |
| CN102157684B CN102157684B (zh) | 2015-04-15 |
Family
ID=44438992
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201010593266.3A Expired - Fee Related CN102157684B (zh) | 2010-12-17 | 2010-12-17 | 一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102157684B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102881651A (zh) * | 2012-10-25 | 2013-01-16 | 天津理工大学 | 一种改善碳纳米管互连电特性的方法 |
| CN107634139A (zh) * | 2017-08-30 | 2018-01-26 | 西安理工大学 | 一种抗大电压氧化硅阻变薄膜的制备方法 |
| CN107663633A (zh) * | 2017-08-30 | 2018-02-06 | 西安理工大学 | 一种掺杂碳纳米管的氧化硅阻变薄膜的制备方法 |
| CN110085589A (zh) * | 2018-01-26 | 2019-08-02 | 中芯国际集成电路制造（天津）有限公司 | 碳纳米管模块、半导体器件及制造方法 |
| CN110400871A (zh) * | 2018-04-24 | 2019-11-01 | 中芯国际集成电路制造（天津）有限公司 | 碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法 |
| CN110400872A (zh) * | 2018-04-24 | 2019-11-01 | 中芯国际集成电路制造（天津）有限公司 | 碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108565337B (zh) * | 2018-04-03 | 2021-05-18 | 集美大学 | 以纳米遮蔽层进行定位等离子处理的阻变存储器制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100072445A1 (en) * | 2008-04-11 | 2010-03-25 | Sandisk 3D Llc | Memory cell that includes a carbon nano-tube reversible resistance-switching element and methods of forming the same |
-
2010
- 2010-12-17 CN CN201010593266.3A patent/CN102157684B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100072445A1 (en) * | 2008-04-11 | 2010-03-25 | Sandisk 3D Llc | Memory cell that includes a carbon nano-tube reversible resistance-switching element and methods of forming the same |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102881651A (zh) * | 2012-10-25 | 2013-01-16 | 天津理工大学 | 一种改善碳纳米管互连电特性的方法 |
| CN102881651B (zh) * | 2012-10-25 | 2015-10-28 | 天津理工大学 | 一种改善碳纳米管互连电特性的方法 |
| CN107634139A (zh) * | 2017-08-30 | 2018-01-26 | 西安理工大学 | 一种抗大电压氧化硅阻变薄膜的制备方法 |
| CN107663633A (zh) * | 2017-08-30 | 2018-02-06 | 西安理工大学 | 一种掺杂碳纳米管的氧化硅阻变薄膜的制备方法 |
| CN107663633B (zh) * | 2017-08-30 | 2019-09-27 | 西安理工大学 | 一种掺杂碳纳米管的氧化硅阻变薄膜的制备方法 |
| CN107634139B (zh) * | 2017-08-30 | 2020-01-14 | 西安理工大学 | 一种抗大电压氧化硅阻变薄膜的制备方法 |
| CN110085589A (zh) * | 2018-01-26 | 2019-08-02 | 中芯国际集成电路制造（天津）有限公司 | 碳纳米管模块、半导体器件及制造方法 |
| CN110400871A (zh) * | 2018-04-24 | 2019-11-01 | 中芯国际集成电路制造（天津）有限公司 | 碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法 |
| CN110400872A (zh) * | 2018-04-24 | 2019-11-01 | 中芯国际集成电路制造（天津）有限公司 | 碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法 |
| CN110400872B (zh) * | 2018-04-24 | 2024-02-23 | 中芯国际集成电路制造（天津）有限公司 | 碳纳米管存储结构的制造方法及半导体器件的制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102157684B (zh) | 2015-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102157684B (zh) | 一种利用碳纳米管作为固态电解液的阻变存储器 | |
| Wu et al. | Improvement of durability and switching speed by incorporating nanocrystals in the HfOx based resistive random access memory devices | |
| Zhao et al. | Reversible alternation between bipolar and unipolar resistive switching in Ag/MoS 2/Au structure for multilevel flexible memory | |
| CN107732010B (zh) | 一种选通管器件及其制备方法 | |
| Kim et al. | All solution-processed, fully transparent resistive memory devices | |
| Wang et al. | Fabrication and characterization of extended arrays of Ag2S/Ag nanodot resistive switches | |
| Yao et al. | Resistive switching in nanogap systems on SiO2 substrates | |
| CN103117359B (zh) | 一种高可靠性非挥发存储器及其制备方法 | |
| CN102683583A (zh) | 单极阻变存储器及其制造方法 | |
| WO2012071892A1 (zh) | 电阻转变存储器及其制备方法 | |
| CN103035842B (zh) | 一种基于石墨烯量子点掺杂的有机阻变存储器及制备方法 | |
| Banerjee et al. | Complementary switching in 3D resistive memory array | |
| Xiong et al. | Towards ultimate scaling limits of phase-change memory | |
| TW200847398A (en) | Phase-change memory element | |
| CN101826598B (zh) | 一种多态有机阻变存储器及制备方法 | |
| US9269901B2 (en) | Resistance change memory device having threshold switching and memory switching characteristics, method of fabricating the same, and resistance change memory device including the same | |
| CN109411600A (zh) | 一种降低阻变存储器操作电压的方法及其阻变存储器 | |
| CN101562229A (zh) | 一种阻变存储器 | |
| CN103594621B (zh) | 一种相变存储单元及其制备方法 | |
| CN106299106A (zh) | 提升阻变存储器稳定性的方法及其应用 | |
| CN102723438A (zh) | 有机阻变型存储单元、存储器及其制备方法 | |
| CN103247755A (zh) | 一种降低阻变存储器器件Reset电流的方法 | |
| CN111916558A (zh) | 一种以h-BN作为中间插层的忆阻器 | |
| CN102903847B (zh) | 一种自发生长金属纳米晶颗粒的p／n型叠层阻变存储器 | |
| Mittermeier et al. | Comparison of spin-on-glass and WO3 as an insulating layer for printed resistive memory devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150415 Termination date: 20191217 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |