一种具有复原缓变阻变特性的氧化钨异质结基阻变存储器及其制备方法

本发明属于非易失性存储器及存内计算，具体涉及一种具有复原缓变阻变特性的氧化钨异质结基阻变存储器及其制备方法。

背景技术：

1、阻变存储器的结构非常简单，上下电极将金属氧化物包夹于中间，这简化了制造工艺，同时具有低功耗和高速重写等卓越性能，能够在两者之间切换高阻状态和低阻状态随外加电压变化而变化，因此阻变存储器是下一代最具有潜力的非易失性存储器。此外，由于表现出优秀的保持耐性以及多值存储的特性，具有连续缓变性能的阻变存储器，在神经形态电路等存内计算领域具有很大的应用前景。

2、许多具有电阻开关特性的材料都成功地用于构建存储器件，例如金属氧化物(氧化锌、氧化钽和氧化铪)、钙钛矿以及二维生物材料等。其中，氧化钨作为一种具有优异电学性质的半导体，已应用于气体传感器和光催化材料等领域。并且，氧化钨中的氧离子/空位具有易调制特性，适合开发高稳定的忆阻器件。由于表现出宽带隙特性，基于氧化钨的忆阻器可以实现高度均匀开关的同时保持高透明度。此外，由于其合成方法多样性、与半导体工艺相容性好等优点，氧化钨成为一种优异的忆阻器存储层的候选材料，适合开发高性能的阻变存储器。

3、目前氧化钨基忆阻器主要呈现出突变阈值型的阻变特性，在数据存储领域具有较好的应用前景；但对于神经网络计算等领域要求的缓变阻变性能缺少报道。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有复原缓变阻变特性的氧化钨异质结基阻变存储器及其制备方法，以解决现有的氧化钨基存储器在缓变阻变特性方面无法实现的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开的一种具有复原缓变阻变特性的氧化钨异质结基阻变存储器的制备方法，包括如下步骤：

4、1)在光滑衬底上沉积金属导电薄膜，作为下电极；

5、2)利用物理气相沉积法，在步骤1)得到的下电极上先生长氧化钨薄膜，然后再生长其他过渡金属氧化物薄膜，制备得到氧化钨异质结，作为存储层；

6、3)在步骤2)得到的存储层上继续沉积金属导电薄膜，作为上电极；构建得到具有复原缓变阻变特性的氧化钨异质结基阻变存储器。

7、优选地，步骤1)中，光滑衬底为透明玻璃或生长有二氧化硅的抛光硅。

8、优选地，步骤1)中，金属导电薄膜为电化学性活性较低的au、pt和w。

9、优选地，步骤2)中，物理气相沉积法为磁控溅射、分子束外延或脉冲激光沉积。

10、优选地，步骤2)中，其他过渡金属氧化物薄膜为氧化钛、氧化钽、氧化铌、氧化铪、氧化锰、氧化铝或氧化镓。

11、优选地，步骤2)中，氧化钨薄膜的衬底加热温度为50～350℃；沉积时间为2～20min；生长功率为50～300w；工作气压为0.5～5pa；在沉积过程中同时通入氩气和氧气，氩气流速为10～50sccm，氧气流速为5～20sccm。

12、优选地，步骤2)中，其他过渡金属氧化物薄膜的衬底加热温度为50～350℃；沉积时间为0.5～8min；生长功率为40～200w；工作气压为0.1～3pa；在沉积过程中同时通入氩气和氧气，氩气流速为5～30sccm，氧气流速为8～30sccm。

13、优选地，步骤2)中，生长的氧化钨薄膜的晶体结构为非晶、多晶或单晶。

14、优选地，步骤3)中，金属导电薄膜为电化学性活性较低的au、pt和w。

15、本发明还公开了一种具有复原缓变阻变特性的氧化钨异质结基阻变存储器，采用上述制备方法制得，为三明治结构，从下到上依次包括：下电极、氧化钨异质结存储层和上电极。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明公开了一种具有复原缓变阻变特性的氧化钨异质结基阻变存储器的制备方法，通过调控两层氧化物薄膜的氧空穴浓度及迁移率等性能，进而控制导电通道形成断裂的动态过程，实现复原过程具有缓变、启动过程具有突变的阻变性能，在数据存储及存内计算两个领域具有较大的市场应用前景。采用介电性高的光滑透明玻璃或者生长有二氧化硅的抛光硅为衬底，是实现稳定阻变存储器的前提；采用电化学性活性较低的金属导电薄膜作为器件的下电极和上电极，有助于获得稳定的阻变性能；采用磁控溅射、分子束外延和脉冲激光沉积的物理气相沉积来生成阻变薄膜层，是构建的忆阻器实现复原缓变阻变特性的基础；采用其他过渡金属氧化物薄膜来构建异质结，是获得复原缓变阻变特性的关键；采用特定范围的物理气相沉积工艺沉积异质结阻变层，为忆阻器进一步实现复原缓变阻变特性提供保障。

18、进一步地，选择介电性高的光滑透明玻璃为衬底，高介电性可以避免衬底的导电性对阻变性能的影响；透明玻璃衬底可以实现后期通过一定波长和强度的光源对阻变存储器进行光电耦合调控；生长有二氧化硅的抛光硅衬底可以实现与cmos工艺兼容，是低成本规模化流片的保障。

19、进一步地，选择电化学活性低的金属导电薄膜，而不是电化学活性高的导电金属，可以避免活性导电金属(如ag和cu等)进行氧化还原反应进入阻变层内，进而对阻变性能的稳定性带来影响；而活性低的au、pt和w有助于实现稳定的阻变性能。

20、进一步地，以磁控溅射物理气相沉积来生成阻变薄膜层，具有成本低、工艺简单的优点，尤其是容易实现非晶薄膜，获得具有较多氧缺陷的薄膜；分子束外延具有制备薄膜可控性和重复性高的优势，在实现低厚度薄膜构建忆阻器方面具有优势；脉冲激光沉积方式沉积阻变层具有效率高、成本低的优点。

21、进一步地，其他过渡金属氧化物薄膜为氧化钛、氧化钽、氧化铌、氧化铪、氧化锰、氧化铝和氧化镓，以上金属氧化物常规下具有n型半导体性质，多数载流子为氧缺陷，目前作为单层存储层在阻变存储器领域具有较好的阻变性能，同时具有成本低的优点，是制备具有复原缓变阻变特性的异质结基忆阻器存储层的有力候选者。

22、进一步地，氧化钨薄膜的衬底加热温度50～350℃，低于此温度区间生长的氧化钨薄膜的平整度较低，构建的忆阻器的性能差，高于此温度区间薄膜内的氧缺陷较少，影响器件的阻变性能；沉积时间为2～20min，低于2min，制备的氧化钨薄膜较薄，构建的器件耐压性降低，高于20min，制备的薄膜较厚，器件的阻变性能变差；氧化钨薄膜生长功率为50～300w，低于此功率范围，生长薄膜速度过于缓慢，高于此功率范围，生长的薄膜平整度变差，导致器件的性能变差；氩气流速为10～50sccm，氧气流速为5～20sccm，氩气和氧气低于此流速范围则反应无法进行，高于此范围制备的薄膜缺陷浓度变少导致器件的模拟阻变性能差；工作气压为0.5～5pa，低于此气压范围，氧化钨薄膜的生长速率慢，高于此气压范围导致生长的薄膜质量差，气孔较多，最终影响器件的性能。

23、进一步地，其他过渡金属氧化物薄膜的衬底加热温度50～350℃，高于此温度区间其他过渡金属氧化物薄膜内的氧缺陷较少，影响异质结结构器件的阻变性能；低于此温度区间生长的薄膜平整度降低，导致阻变性能变差；沉积时间为0.5～8min，低于此生长时间范围，制备的其他过渡金属氧化物薄膜较薄，异质结结构无法体现，缓变阻变特性无法实现，高于此生长时间范围，制备的薄膜较厚，虽然实现了缓变阻变特性但是功耗较大；其他过渡金属氧化物生长功率为40～200w，低于此功率范围，生长的薄膜过于缓慢，高于此功率范围，生长的薄膜平整度变差，导致构建的器件性能变差；氩气流速为5～30sccm，氧气流速为8～30sccm，氩气和氧气低于此流速范围则反应无法进行，高于此范围制备的薄膜缺陷浓度变少导致器件的模拟阻变性能变差；工作气压为0.1～3pa，低于此气压范围，其他过渡金属氧化物薄膜的生长速率变慢，高于此气压范围导致生长的薄膜质量变差、气孔较多，最终影响器件的性能。

24、进一步地，生长的氧化钨薄膜晶体结构为非晶、多晶和单晶。非晶具有较多的氧空穴浓度，在实现高性能阻变特性方面具有优势；单晶薄膜在实现低厚度(如几个纳米以下)器件方面具有优势；而多晶则综合了单晶和非晶的优点。

25、本发明还公开了上述制备方法制得的具有复原缓变阻变特性的氧化钨异质结基阻变存储器，具有结构和构建工艺简单，成本低且性能高的优点，通过氧化钨异质结结构来改变不同阻变层内氧缺陷的形成能及迁移势垒，进而对导电通道的动态过程进行调控，在数据存储及存内计算两个领域都具有较大的市场应用前景。