一种基于同质结的多比特存储器及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种基于同质结的多比特存储器及其制备方法。


背景技术：

2.随着信息时代的发展，日益增加的数据信息对与存储器提出了更高的需求。特别是传统的三端型闪存面临尺度微缩的问题，研发具有更好微缩性的两端型阻变存储器成为下一代高密度存储的重要发展方向。
3.另一方面，随着器件集成度的不断提高，存储器的存储能力逐渐受限于物理极限。仅仅通过在同一芯片上集成更多的存储单元提高芯片的存储力已经无法满足未来高密度存储的需求，迫切需求探索一种新型的方式提高器件的存储能力。在这样的背景下，多比特存储器应运而生。通过在同一器件单元实现可调节的多位存储，可以极大提高单个器件的存储能力以及整个存储模块的存储能力。因此，研发高性能的多比特存储器具有重要价值。
4.现有的多比特存储器面临着稳定性较差、多态区分不明显、不同阻态切换过程较为随机等问题，因此需要从多态阻变的工作机制出发，从源头设计一种具有可靠阻态转变的多比特存储器。


技术实现要素：

5.本发明公开一种基于同质结的多比特存储器，包括：衬底；底电极，形成在所述衬底上；功能层，其为不同氧含量的多层非晶氧化物薄膜，形成在所述底电极上；顶电极，形成在所述功能层上，在向顶电极施加电压时，各层非晶氧化物薄膜自上而下依次形成氧空位导电通道，实现阻态的逐级调制。
6.本发明的基于同质结的多比特存储器中，优选为，所述非晶氧化物薄膜为三层。
7.本发明的基于同质结的多比特存储器中，优选为，自第一层非晶氧化物薄膜、至第二层非晶氧化物薄膜、至第三层非晶氧化物薄膜中的氧含量浓度逐渐降低，使得功能层形成阶梯式变化的氧空位状态。
8.本发明的基于同质结的多比特存储器中，优选为，在未施加电压时，器件处于初始逻辑阻态00；向所述顶电极施加电压，当第三层非晶氧化物薄膜中的氧空位通道形成时，第二层非晶氧化物薄膜与第一层非晶氧化物薄膜中的氧空位导电通道还未形成，因此器件处于比初始态更低的电阻状态，即逻辑阻态01；进一步施加电压时，第三层非晶氧化物薄膜和第二层非晶氧化物薄膜中的氧空位通道形成，器件的电阻状态再次降低，即逻辑阻态10；继续施加电压，第三层非晶氧化物薄膜、第二层非晶氧化物薄膜和第一层非晶氧化物薄膜中的氧空位通道均形成，器件的阻态变为最低，即逻辑阻态11，因此器件具有连续可调的4级多比特电阻状态。
9.本发明的基于同质结的多比特存储器中，优选为，所述非晶氧化物薄膜为tin
xo2-x
，tan
xo2-x
，hfn
xo2-x
或znn
xo2-x
。
10.本发明还公开一种基于同质结的多比特存储器制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成底电极；在所述底电极上形成不同氧含量的多层非晶氧化物薄膜作为功能层；在所述功能层上形成顶电极，向顶电极施加电压，各层非晶氧化物薄膜自上而下依次形成氧空位导电通道，实现阻态的逐级调制。
11.本发明的基于同质结的多比特存储器制备方法中，优选为，所述非晶氧化物薄膜为三层。
12.本发明的基于同质结的多比特存储器制备方法中，优选为，自第一层非晶氧化物薄膜、至第二层非晶氧化物薄膜、至第三层非晶氧化物薄膜中的氧含量浓度逐渐降低，使得功能层形成阶梯式变化的氧空位状态。
13.本发明的基于同质结的多比特存储器制备方法中，优选为，在未施加电压时，器件处于初始逻辑阻态00；向所述顶电极施加电压，当第三层氧化物薄膜中的氧空位通道形成时，第二层非晶氧化物薄膜与第非晶氧化物薄膜中的氧空位导电通道还未形成，因此器件处于比初始态更低的电阻状态，即逻辑阻态01；进一步施加电压时，第三层非晶氧化物薄膜和第二层非晶氧化物薄膜中的氧空位通道形成，器件的电阻状态再次降低，即逻辑阻态10；继续施加电压，第三层非晶氧化物薄膜、第二层非晶氧化物薄膜和第一层非晶氧化物薄膜中的氧空位通道均形成，器件的阻态变为最低，即逻辑阻态11，因此器件具有连续可调的4级多比特电阻状态。
14.本发明的基于同质结的多比特存储器制备方法中，优选为，所述非晶氧化物薄膜为tin
xo2-x
，tan
xo2-x
，hfn
xo2-x
或znn
xo2-x
。
15.有益效果：
16.(1)以不同氧比例的非晶氧化物薄膜叠层作为阻变功能层，通过对器件材料体系的设计实现器件特性的调控。
17.(2)对功能层中不同层的氧缺陷浓度进行调控，实现导电细丝的分段积累，从而从机理的角度出发实现多比特存储的功能。
18.(3)使得单一器件具有多态存储的功能，避免高密度集成的物理极限，从硬件的角度对传统器件存储能力受限的问题进行解决。
附图说明
19.图1是基于同质结的多比特存储器制备方法流程图。
20.图2是形成底电极后的器件结构示意图。
21.图3是形成第一层非晶氧化物薄膜后的器件结构示意图。
22.图4是形成第二层非晶氧化物薄膜后的器件结构示意图。
23.图5是形成第三层非晶氧化物薄膜后的器件结构示意图。
24.图6是形成顶电极后的器件结构示意图。
25.图7是基于同质结的多比特存储器工作原理示意图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的
具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
29.图1是本发明的二维/零维混合结构的人工异质突触器件制备方法的流程图。如图1所示，包括以下步骤：
30.步骤s1，准备4英寸的硅片作为制备基于同质结的多比特存储器的衬底100。衬底还可以采用氧化硅片、玻璃、氧化铝等。
31.步骤s2，利用物理气相沉积在衬底100上生长厚度为80nm的底电极pt101，所的结构如图2所示。生长过程中功率为60w，采用气体为ar2，流量30sccm。其中，底电极材料还可以是pd，au，tin等；厚度范围可取50nm～150nm；功率优选范围为50w～120w。
32.步骤s3，利用物理气相沉积法在底电极101上生长tin
xo2-x
非晶氧化物薄膜作为功能层，共计三层。三层非晶氧化物薄膜中，从第一层非晶氧化物薄膜到第二层非晶氧化物薄膜，再到第三层非晶氧化物薄膜，薄膜中的氧含量浓度逐渐降低，使得功能层形成阶梯式变化的氧空位状态。
33.其中，生长第一层非晶氧化物薄膜102的过程中ar2和o2和n2的流量分别为30sccm，10sccm和0sccm，功率控制在60w，溅射时长控制在200s，所得结构如图3所示。
34.生长第二层非晶氧化物薄膜103的过程中ar2和o2和n2的流量分别为30sccm，5sccm和5sccm，功率控制在60w，溅射时长控制在200s，所得结构如图4所示。
35.生长第三层非晶氧化物薄膜104的过程中ar2和o2和n2的流量分别为30sccm，1sccm和9sccm，功率控制在60w，溅射时长控制在200s，所得结构如图5所示。
36.但是本发明不限定于此，功能层的层数不限于三层，功能层的材料还可以是tan
xo2-x
，hfn
xo2-x
，znn
xo2-x
等；功率可选范围为50w～100w；溅射时长优选100s～300s。
37.步骤s4，利用紫外光刻在样品上定义100μm
×
100μm的矩形顶电极形状，并利用物理气相沉积法生长50nm厚的al作为顶电极105，所得结构如图6所示。其中，生长过程中功率为60w，气体为ar2，流量30sccm。顶电极还可以是au,tan等；厚度优选为30nm～80nm；功率优选为为50w～120w。
38.如图6所示，本发明的基于同质结的多比特存储器，包括：衬底100；底电极101，形成在衬底100上；功能层，其为不同氧含量的多层非晶氧化物薄膜形成在所述底电极上，本实施例中为三层，包括第一层非晶氧化物薄膜102，第二层非晶氧化物薄膜103和第三层非晶氧化物薄膜104；顶电极105，形成在功能层上。
39.在向顶电极103在施加电压时，三层非晶氧化物薄膜自上而下依次形成氧空位导电通道，从而获得不同的电阻状态，实现阻态的逐级调制。图7是单个器件的截面示意图，示出了基于同质结的多比特存储器工作原理。如图7所示，在未施加电压时，器件处于初始逻辑阻态00；向顶电极105施加电压，当第三层非晶氧化物薄膜104中的氧空位通道形成时，第二层非晶氧化物薄膜103与第一层非晶氧化物薄膜102中的氧空位导电通道还未形成，因此器件处于比初始态更低的电阻状态，即逻辑阻态01。进一步施加电压时，第三层非晶氧化物薄膜104和第二层非晶氧化物薄膜102中的氧空位通道形成，器件的电阻状态再次降低，即逻辑阻态10。继续施加电压，第三层非晶氧化物薄膜104、第二层非晶氧化物薄膜103和第一层非晶氧化物薄膜102中的氧空位通道均形成，器件的阻态变为最低，即逻辑阻态11。因此器件具有连续可调的4级多比特电阻状态。
40.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。