[发明专利]一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器及其制备方法，属于微电子器件领域。所述阻变存储器的器件结构包括惰性底电极和顶电极金属钨，以及介于二者之间的自供电层和阻变层。其中，自供电层是经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜，薄膜内部含有大量氧官能团；当顶电极金属钨沉积于非晶碳薄膜上时，在界面位置金属钨会与氧官能团结合，自发形成阻变层WO_x薄膜。由于器件高阻态与低阻态出现的同时伴随着非晶碳薄膜中氧官能团梯度的减小和增加，利用湿度监测自生电压的高值与低值来读取器件的电阻存储状态。该发明有助于替代存储器使用电压读取存储状态的传统方式，提供了一种湿度自供电读取存储状态的新方式。

技术领域

本发明属于微电子器件领域，涉及阻变存储器(RRAM)、自供电电子器件，具体涉及一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器及其制备方法。

背景技术

随着大数据时代的到来，我们每天利用电子设备进行信息的交流及存储，随着传统闪存器件的自身尺寸限制，将无法继续实现更大集成化制备，因此亟需发展更多的新型存储器，如铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)、阻变存储器(RRAM)，在这些存储器中，RRAM因其自身简单的金属-绝缘层-金属“三明治”结构、高存储密度、读写速度快、低功耗的特点吸引了人们的注意。然而，随着存储器需求量的增加，信息写入/擦除及信息读取也会导致的巨大的能耗。其中，信息读取作为存储器运行中不可缺少的环节，往往采用小电压读取电阻的方式进行，其能耗也是不可忽略的。若能以自供电的方式实现对RRAM器件电阻状态的读取，将能够避免器件的读取功耗，有助于节约存储器运行能耗。因此，研发自供电读取电阻态阻变存储器件具有极大的潜在应用及价值。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器及其制备方法。所述阻变存储器的器件结构包括惰性底电极和金属钨顶电极，以及介于二者之间的自供电层和阻变层。阻变存储器的高阻态与低阻态能够通过湿度监测自生电压的高值与低值所得到。进一步，器件的电阻态可以通过限制电流控制，相应的自生电压也发生变化，从而实现多级阻态的自供电读取。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器，其特征在于，所述阻变存储器的器件结构由下至上依次包括惰性底电极、自供电层、阻变层和顶电极金属钨；其中，自供电层是经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜，薄膜内部含有氧官能团，氧官能团在薄膜纵向由上至下呈梯度减小分布；所述阻变层为WO_x薄膜，当顶电极金属钨沉积于经过氧等离子体处理的非晶碳薄膜上时，在界面位置金属钨与氧官能团结合，自发形成阻变层。

所述阻变存储器的自供电读取多级电阻态操作原理如下：在高湿度条件下，具有氧官能团梯度的非晶碳薄膜能产生自生电压，其电压大小与氧官能团梯度成正比关系；在顶电极施加负向电压，会导致WO_x薄膜中氧离子的迁移到非晶碳薄膜中，实现器件由高阻态向低阻态转变；反之，反向电压会诱导氧离子由非晶碳薄膜迁移到WO_x薄膜，实现低阻态向高阻态转变。由于器件高阻态与低阻态出现的同时伴随着非晶碳薄膜中氧官能团梯度的减小和增加，因此可以利用湿度监测自生电压的高值与低值来读取器件的电阻存储状态。进一步，阻变层与自供电层之间的氧离子交换量可由限制电流控制，能够实现多级阻态的自供电读取。

其中，所述的惰性底电极为Pt。

其中，所述的自供电层厚度为90-110nm。优选100nm。

其中，所述阻变层厚度为8-12nm。优选10nm。

本发明的一种自供电读取多级电阻态的阻变存储器的制备方法如下：

步骤一：将惰性底电极金属衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗8～15分钟，用氮气吹干；