[发明专利]一种高稳定的单极性阻变存储器

说明书

本发明提供了一种高稳定的单极性阻变存储器，其核心为“化学惰性阳极/氧化物存储介质/化学活性阴极”三层膜结构，氧化物存储介质和化学活性阴极之间自发进行界面反应而形成含有大量氧空位和低价氧化物的界面层；当阳极层和阴极层之间施加电压时，在界面层作用下，氧化物存储介质中形成的导电细丝在阳极附近具有尖端结构，电压发生变化引起的导电细丝形成和断开发生在该尖端附近，因此抑制了导电细丝的随机形成和断开，能够获得高稳定的单极性阻变行为。

技术领域

本发明涉及一种阻变存储器技术领域，具体涉及一种高稳定的单极性阻变存储器。

背景技术

在本世纪初，由于移动通信、社交媒体、远程遥感等多样化信息产生和传播途径的飞速发展，人类社会正式迈进了“大数据时代”。面对如此种类繁多且体积庞大的数据，人们首先要解决的就是如何方便快捷且安全可靠地将其存储。当前，市场上的主流存储器包括动态随机存储器、硬盘和闪存三种，但各自都有明显的性能缺陷，比如动态随机存储器的易失性、硬盘的慢读写速度和闪存的低擦写耐受性。因此，全球半导体行业正在迫切寻找一种能兼具动态随机存储器、硬盘和闪存三者优势的新型存储器。

阻变存储器已被公认是一种有前途的高速、高密度、低功耗、耐擦写且廉价的非易失性存储概念，其存储单元为简单的“阳极/存储介质/阴极”三层膜结构，存储介质具有电阻转变性质，在阳极与阴极之间调控施加电压可以使存储单元的电阻在高低阻值切换。目前研究表明，大多数阻变存储器在电压作用下材料内部的带电缺陷经过一系列氧化还原反应形成了连通阳极和阴极的导电通道，本文中将该导电通道称为“导电细丝”。在电压调控下，该导电细丝发生形成和断开状态，对应着器件表现为低电阻态和高电阻态，因此阻变器件的性能与导电细丝的形成状态密切相关。

根据擦写电压极性的异同，阻变存储器可分为“单极性”和“双极性”两种，前者的擦写电压极性相同，而后者的则相反。实际应用时，单极性阻变存储器更具优势，这是因为其同极性擦写操作有利于实现更高的集成密度和更简化的外围控制电路。

当前，阻变稳定性差是限制单极性阻变存储器商业化的关键问题。研究表明，阻变存储器的稳定性与导电细丝的形成和断开位置密切相关，但是目前具有三层膜结构的阻变器件中，带电缺陷在均匀电场作用下迁移的随机性很强，在器件连续擦写过程中导电细丝的形成和断开的位置具有随机性，这是造成器件性能不稳定的主要因素。为了抑制导电细丝形成和断开的随机性，人们已经提出了金属纳米颗粒掺杂存储介质和微纳加工金字塔型电极两种主要方法。虽然这二者确实可以提高单极性阻变稳定性，但都因过于复杂且与标准CMOS工艺不兼容而难以实用化。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种单极性阻变存储器，其具有结构简单和阻变稳定性高的优点。

为实现上述技术目的，本发明采取以下技术方案：一种高稳定的单极性阻变存储器，在绝缘基体表面具有“阳极/存储介质/阴极”三层膜结构，其特征在于，如图1所示，所述阳极层位于绝缘基体表面，是具有化学惰性的金属；所述存储介质层位于阳极层表面，是具有电阻转变性质的氧化物；所述阴极层位于存储介质层表面，是具有化学活性的金属，阴极层与存储介质层之间通过自发氧化还原反应生成界面层。

工作状态时，阳极层与阴极层之间施加电压，由于界面层的作用，氧化物存储介质中形成的导电细丝在阳极附近具有尖端结构，参考图2所示，电压发生变化引起的导电细丝形成和断开发生在该尖端附近。

作为一种情况，阳极与阴极之间的导电细丝呈锥形。

作为优选，所述存储介质层的厚度为5纳米～15纳米。

所述的导电细丝是指在阳极与阴极之间施加电压时，阻变存储器的存储介质层中形成的连通阳极和阴极的导电通道，阻变存储器呈低阻态。当调控施加电压时，该导电通道可发生熔断，即导电细丝呈断开状态，阻变存储器呈高阻态。

所述阳极材料具有化学惰性主要是指对氧元素具有化学惰性，即，在一般条件下该阳极不易被氧化。