一种阻变存储器的制备方法与流程

本发明属于超大规模集成电路技术领域，涉及一种提升基于过渡族金属氧化物的阻变存储器特性的材料及阻变存储器的制备方法，通过该材料的引入，能够调控氧空位的行为。

背景技术：

目前，先进存储器厂商均在量产3dnand存储器，这是由于上一代平面闪存在单位面积存储容量已达到物理极限。由于物理尺寸的不断减小，传统闪存存在着电荷泄露导致可靠性降低的问题，此外，人们也对电子产品提出了愈加高的要求，包括读取/擦除速度、容量、可靠性等关键参数。3dnand存储器是人们在平面nand存储器（即2dnand存储器）基础上发展而来，在存储容量上有了明显的提升。但是真正在读取/擦除速度、容量、功耗、时间保持特性、耐受性、抗噪声等存储参数上有突破的是新一代存储技术—阻变存储器。

目前，电阻转变行为主要发生在过渡族金属氧化物，例如cuox,tiox,alox,wox,niox,znox,taox,hfox等材料。这类材料在外加电场作用下，薄膜会发生氧空位的迁移、积累形成导电通道而转变到低阻态。在初始化的过程中，器件往往需要大于正常写入电压（几伏）若干倍的电压来进行激活才能进行正常的写入擦除操作。而在这一过程中，较大的电压（十几伏或几十伏）会使得薄膜的晶体结构发生不可控的变化（器件发生击穿而失去存储数据作用），激活过程的目的是为了在薄膜中产生一定数量的氧空位，以便进行写入和擦除操作。

在薄膜沉积过程中，处于等离子状态的氧原子会与单个金属原子成键，在衬底上形成金属氧化物网络。不管是否处于化学计量比的状态，人们都需要大电压打断金属与氧的键，形成自由移动的氧离子，从而产生氧空位的迁移。

现有技术中的阻变存储器存在以下问题：存储单元（能够存储一个数据，例如0或者1）在初始化的过程中需要一个比读写电压（几伏）大许多倍的电压进行激活，有较大的概率使得存储单元击穿而失效；传统的制备过渡族金属氧化物薄膜的方式有物理气相沉积法、激光脉冲沉积法、原子层淀积法等其他真空镀膜技术，具有设备采购成本高、维护成本高、生产周期长等限制因素。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种低成本、高可靠的阻变存储器的制备方法。

为此，本发明采用了如下的技术方案：一种阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：

1）导电玻璃清洗吹干备用；

2）将粒径为20~50纳米的二氧化钛颗粒与分子量为2000~6000的聚乙二醇溶于无水乙醇中，其中二氧化钛颗粒与无水乙醇的质量/体积比（g/ml）为1-5%，聚乙二醇与无水乙醇的质量/体积比（g/ml）为0.5-3%，超声分散；

3）用均胶机将步骤2）所得的溶液在步骤1）的导电玻璃上旋涂制膜，转速3000~4000rpm，时间30~90s；

4）用管式炉在氩气氛保护下150~205℃退火1~3小时；

5）利用金属掩模板或光刻工艺定义顶电极的形状和尺寸，电极的直径0.5~50微米；

6）利用热蒸发镀膜法制备厚度为200~500纳米的金属顶电极。

本发明以二氧化钛/聚乙二醇的体系合成了一种有机无机复合薄膜材料，该有机材料与金属氧化物纳米颗粒间存在多种构象形成偶极矩而产生相互作用，制备而成的存储单元具有无大电压激活过程和良好的稳定性。同时，本发明不需要依赖昂贵的设备。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1是实施例的方法框图；

图2是实施例产品的截面示意图；

图3是实施例的电压-电流特性图；

图4是实施例的抗疲劳特性图。

图中标记为：绝缘衬底层4、底电极层3、阻变介质层2、顶电极层1。

具体实施方式

参见附图。本实施例所述的阻变存储器具有多层堆叠的三维结构，自下而上分别为绝缘衬底层4、底电极层3、阻变介质层2、顶电极层1。

该阻变存储器件的制备过程，具体如下：

1）首先对fto或ito导电玻璃使用丙酮（分析纯级）、无水乙醇（分析纯级）进行超声清洗，随后使用去离子水冲洗，并用高纯氮气吹干；

2）将1.0~2.5克二氧化钛纳米颗粒（尺寸为20~50纳米）与0.5~1.5克聚乙二醇（分子量为2000~6000）溶于50~100毫升无水乙醇中，超声分散；

3）利用均胶机在导电玻璃上旋涂制膜，参数为：转速3000~4000rpm，时间30~90s；

4）利用管式炉在氩气氛保护下150~205℃退火1~3小时；

5）利用金属掩模板或光刻工艺定义顶电极的形状和尺寸，电极的直径0.5~50微米；

6）利用热蒸发镀膜法制备厚度为200~500纳米的银（或金、铂、钨）顶电极。

图3为实施例在150℃下热处理1小时的阻变介质层的第一次电流-电压特性图，横轴为电压/v，纵轴为电流/a。由图3可知，在室温下进行电学特性表征时，第一次扫描电压在小于1.0v时器件即发生了从高阻态（hrs）到低阻态（lrs）的转变，且该过程处于缓慢变化状态，有利于维持薄膜晶体结构的稳定，提高器件的可靠性。随着扫描次数的增加，器件的电流—电压（i-v）曲线将会处于稳定的状态。

图4为实施例在150℃下热处理1小时的阻变介质层在室温下的抗疲劳特性图，横轴为扫描次数，纵轴为电阻/ω。由图4可知，在室温下，读取电压为0.1v，该存储单元能够经受住100次循环而高低阻态不发生明显退化，体现良好的抗疲劳特性。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种阻变存储器的制备方法，以二氧化钛/聚乙二醇的体系合成了一种有机无机复合薄膜材料，该有机材料与金属氧化物纳米颗粒间存在多种构象形成偶极矩而产生相互作用，制备而成的存储单元具有无大电压激活过程和良好的稳定性。同时，本发明不需要依赖昂贵的设备。

技术研发人员：黄仕华;陈达
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2017.09.29
技术公布日：2018.02.09