CN108963071A - 具有结构调节层的阻变式存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阻变式存储器，包括：惰性下电极层、所述惰性下电极层之上的硫族化合物阻变层、所述硫族化合物阻变层之上的金属掺杂的硫族化合物调节层、以及所述金属掺杂的硫族化合物调节层之上的活性金属上电极层。本发明的阻变式存储器具有结构调节层，可以实现导电丝通段的局域化，从而大大提高阻变式存储器的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于信息存储领域，具体涉及一种具有结构调节层的阻变式存储器。
背景技术
阻变式存储器(RRAM)由于其结构简单、存储密度高、转换速度快、功耗低、操作电压小等优点被认为最有希望取代闪存而成为下一代非易失性存储器。
对于RRAM器件，人们普遍接受的模型是导电丝模型，即通过导电丝的通断来实现阻变行为。然而，导电丝是依靠金属阳离子或氧离子在电场作用下迁移而形成的，金属阳离子(氧离子)的迁移具有随机性，这会增加转换参数的波动，如高低电阻、开启关闭电压。一旦阻变参数的波动性过大，就会出现坏点使器件无法正常的运行，这也限制了存储器的进一步发展。因此，通过一些方法来降低器件运行中的波动性已经成为刻不容缓的问题，大量的研究工作致力于提高器件的稳定性与均一性。一些方法如***超薄的金属层或氧化层、***金属的纳米团簇、制备双层结构、使用纳米尺寸电极等用来提高RRAM器件的性能。这些方法的主要目的是控制导电丝的形成过程，减小导电丝形成的随机性，进而减小电学参数的波动。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种阻变式存储器，包括：惰性下电极层、所述惰性下电极层之上的硫族化合物阻变层、所述硫族化合物阻变层之上的金属掺杂的硫族化合物调节层、以及所述金属掺杂的硫族化合物调节层之上的活性金属上电极层。
根据本发明的阻变式存储器，优选地，所述下电极层的材料为ITO、Pt或Au。
根据本发明的阻变式存储器，优选地，所述阻变层的材料为ZnS或Ag2S。
根据本发明的阻变式存储器，优选地，所述调节层的材料为ZnS：Ag或ZnS：Cu。
根据本发明的阻变式存储器，优选地，所述上电极层的材料为Ag或Cu。
根据本发明的阻变式存储器，优选地，所述下电极层的厚度为200-300nm。
根据本发明的阻变式存储器，优选地，所述阻变层的厚度为10-20nm。
根据本发明的阻变式存储器，优选地，所述调节层的厚度为40-60nm。
根据本发明的阻变式存储器，优选地，所述上电极层的厚度为80-100nm。
本发明还提供了一种阻变式存储器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：利用磁控溅射方法在惰性下电极层上制备硫族化合物阻变层；
步骤二：利用磁控溅射方法在所述硫族化合物层上制备金属掺杂的硫族化合物调节层；
步骤三：利用热蒸发方法在所述金属掺杂的硫族化合物调节层上制备活性金属上电极层。
本发明的阻变式存储器具有结构调节层，可以实现导电丝通段的局域化，从而大大提高阻变式存储器的稳定性。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为本发明实施例的ITO/ZnS/ZnS:Ag/Ag阻变式存储器的结构示意图。
图2为根据本发明实施例的ITO/ZnS/ZnS:Ag/Ag阻变式存储器的电流-电压特性测试曲线图。
图3为根据本发明实施例的ITO/ZnS/ZnS:Ag/Ag阻变式存储器的电阻忍耐测试图。
图4为根据本发明实施例的ITO/ZnS/ZnS:Ag/Ag阻变式存储器的电阻保持测试图。
图5为根据本发明实施例的ITO/ZnS/ZnS:Ag/Ag阻变式存储器的工作原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的实施例提供一种具有结构调节层的阻变式存储器，其结构如图1所示，包括ITO薄膜下电极层、所述ITO薄膜下电极层之上的ZnS层、所述ZnS层之上的Ag掺杂ZnS层、以及所述Ag掺杂ZnS层之上的Ag薄膜上电极层，其中，所述ZnS层用作阻变层，所述Ag掺杂ZnS层用作调节层。Ag薄膜上电极层和Ag掺杂ZnS层中的Ag粒子共同充当导电丝模型中导电丝的源，这样就会在Ag掺杂ZnS层中形成较粗的导电丝，而在ZnS层中形成较细的导电丝。这实现了导电丝通段的局域化，可以大大提高阻变式存储器的稳定性。
根据本发明实施例的阻变式存储器的制备方法包括如下步骤：
步骤一：将厚度约300nm的ITO衬底经过物理或化学方法清洁处理后，用作下电极；
步骤二：在下电极上，利用磁控溅射方法先沉积一层ZnS薄膜，薄膜厚度约15nm，电阻率约为7000Ω*cm。具体制备条件为：室温、低于5.0×10-4Pa的本底真空、高纯氩气(Ar)溅射气体、2Pa的生长压强、ZnS陶瓷溅射靶、以及90W的溅射功率。
步骤三：利用磁控溅射方法在ZnS薄膜上沉积一层ZnS：Ag薄膜，薄膜厚度约45nm，电阻率约为80Ω*cm。具体制备条件为：室温、低于5.0×10-4Pa的本底真空、高纯氩气(Ar)溅射气体、2Pa的生长压强、ZnS陶瓷和Ag金属溅射靶、以及90W的溅射功率。
步骤四：利用热蒸发方法在ZnS：Ag薄膜上蒸镀厚度为100nm的Ag薄膜作为上电极，采用掩模板使上电极的形状为直径400um的圆形阵列，热蒸发真空度为3.0×10-4Pa。
按照上述步骤可得到ITO/ZnS/ZnS:Ag/Ag阻变式存储器，图2示出本发明实施例的阻变式存储器的该电流-电压特性测试结果。在测试过程中，规定电流从Ag电极一侧到ITO电极一侧为正方向。ZnS作为一种半导体材料，使得初始的器件展示了一个高电阻状态。当对器件施加一个正向的扫描电压(0-0.5V)时，在施加约0.3V的正向偏压后实现了器件的开启。器件从高阻态转换成为低阻态。当施加一个反向的扫描电压时，器件在约-0.2V的正向偏压实现了器件的关闭。器件从低阻态又回到了高阻态，完成了一次高低阻态的循环。图2展示了100组高低阻态的循环。之后，发明人对阻变式存储器进行了反复的阻变循环测试与阻态保持时间测试。图3和图4分别示出了本发明实施例的阻变式存储器的电阻忍耐和保持特性，阻变式存储器的高低阻值读取电压为0.05V。在连续的上千次的电阻转换后，高低阻并没有出现任何衰退的迹象。另外，阻变式存储器具有良好的保持特性，在104s后器件的高低阻几乎保持不变。
图5为本发明的具有结构调节层的阻变式存储器的工作原理图，其示出了阻变模型：
参见图5的左图，当正向偏压作用在Ag电极上时，Ag电极层与Ag掺杂ZnS层中的Ag粒子都会向这ITO下电极一侧迁移，从而形成Ag导电丝。由于Ag纳米团簇附近的局域电场增强效应，在ZnS层***Ag纳米团簇，使导电丝的尺寸增加。这样，就会在Ag掺杂ZnS层形成比较粗的导电丝，而在ZnS层形成比较细的导电丝。参见图5的右图，当再次施加反向电压时，细的导电丝会优先断裂。这就意味着电阻转换的位置被局域在ZnS一侧，而且通过减小ZnS层的厚度局域程度可以增强。对于具有Ag纳米团簇调节层的器件可以使导电丝断裂位置远离Ag电极，提高器件的忍耐特性。
根据本发明的其他实施例，下电极层可以采用本领域公知的惰性电极材料，例如Pt、Au等。
根据本发明的其他实施例，阻变层可以采用本领域公知的硫族化合物层，例如ZnS、Ag2S等，其电阻率约为103-104Ω*cm，厚度为10-20nm。
根据本发明的其他实施例，调节层可以采用金属掺杂的硫族化合物，例如ZnS：Ag、ZnS：Cu等，其电阻率约为10-100Ω*cm，厚度为40-60nm。
根据本发明的其他实施例，上电极层可以采用本领域公知的任意其他活性金属，例如Cu等，其厚度为80-100nm。
根据本发明的其他实施例，调节层中掺杂的金属粒子与活性电极中的金属粒子可以采用不同的金属，优选地，调节层和活性电极层采用相同的金属；另外，阻变层和调节层中的硫族化合物也并非必须是同一种，优选地，阻变层和调节层采用相同的硫族化合物。
本发明的具有结构调节层的阻变式存储器结构简单，可以通过控制每一层的厚度来控制导电丝通段的长度，更加灵活地控制器件。另外，调节层中的掺杂金属粒子可以减小活性金属电极中的金属粒子进入阻变层的势垒，有效地减小了转换电压，有利于器件的运行。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (10)
1.一种阻变式存储器，包括：惰性下电极层、所述惰性下电极层之上的硫族化合物阻变层、所述硫族化合物阻变层之上的金属掺杂的硫族化合物调节层、以及所述金属掺杂的硫族化合物调节层之上的活性金属上电极层。
2.根据权利要求1所述的阻变式存储器，其中，所述下电极层的材料为ITO、Pt或Au。
3.根据权利要求1所述的阻变式存储器，其中，所述阻变层的材料为ZnS或Ag2S。
4.根据权利要求1所述的阻变式存储器，其中，所述调节层的材料为ZnS：Ag或ZnS：Cu。
5.根据权利要求1所述的阻变式存储器，其中，所述上电极层的材料为Ag或Cu。
6.根据权利要求1所述的阻变式存储器，其中，所述下电极层的厚度为200-300nm。
7.根据权利要求1所述的阻变式存储器，其中，所述阻变层的厚度为10-20nm。
8.根据权利要求1所述的阻变式存储器，其中，所述调节层的厚度为40-60nm。
9.根据权利要求1所述的阻变式存储器，其中，所述上电极层的厚度为80-100nm。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述阻变式存储器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：利用磁控溅射方法在惰性下电极层上制备硫族化合物阻变层；
步骤二：利用磁控溅射方法在所述硫族化合物层上制备金属掺杂的硫族化合物调节层；
步骤三：利用热蒸发方法在所述金属掺杂的硫族化合物调节层上制备活性金属上电极层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181207 |