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CN107134526B - 一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器及其制备方法 - Google Patents

一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器及其制备方法，属于阻变存储领域。一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器，包括衬底，衬底之上依次为底电极、存储介质层、顶电极，所述的存储介质层是纯绝缘性聚合物层，并公开了其制备方法。本发明采用的原料易得，成本低廉，制备出的存储器呈现非易失性一次写入多次读取存储特性，具有写入电压低、开关比高、误读率低、稳定性高的优点。

Description

一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器及其制 备方法
技术背景
本发明涉及阻变存储器领域，具体地说，涉及一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器及其制备方法。
背景技术
存储器是电子设备最基本的元器件之一，是现代信息技术的重要组成部分。随着现代信息技术的快速发展，数据的处理能力不断增强，数据量急剧增长，因此，人们希望可以获得性能优良、价格低廉的存储芯片来存储海量的数据。近年来，一类基于器件阻值变化的新型的非易失性存储器（阻变存储器），因其拥有器件结构简单、读写速度快、擦写耐受力高、数据保持时间长等优势，在半导体存储领域快速发展。
其中，非易失性一次写入多次读取（WORM）存储器，因其信息存储状态不依赖外界电源供并且具备一写多读的数据存储性能，使得它在降低系统能耗以及信息存储可靠性、安全性以及永久性等方面起了重要作用。而目前的WORM阻变存储器由于制备工艺复杂、制作成本高等缺点，限制了其在工业化应用的广泛发展。
Lai、Liu等人通过对存储介质材料中的绝缘聚合物进行掺杂金属或者导电聚合物改性的方法，在实加电压的过程中，通过改性后的存储介质层能够对电子的捕获和释放，从而实现阻变存储性能，但是该方法制备工艺复杂。而中国专利，申请号为201510271467.4，发明名称为“低形成电压的阻变存储器及其制备方法”，该专利中的存储器虽然具备低功耗写入电阻的功能，但是制备工艺复杂，制备成本高。
所以，急需一种制备工艺简单、成本低的、具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器的制备方法，以攻克现有技术中的技术难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器及其制备方法，该存储器材料易得，成本低廉，制备方法简单。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器，包括衬底，衬底之上依次为底电极、存储介质层、顶电极，所述的存储介质层是纯绝缘性聚合物层。
进一步的技术方案，所述的纯绝缘性聚合物层的制备方法是将纯绝缘性聚合物溶于溶剂后，旋涂于底电极上，烘干。
进一步的技术方案，所述的纯绝缘性聚合物层中的纯绝缘性聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。
进一步的技术方案，所述的存储介质层的厚度为60 nm-80nm。
进一步的技术方案，所述的衬底是硅片衬底，所述的顶电极是Al 电极、Ag电极中的一种。
进一步的技术方案，所述的底电极是还原氧化石墨烯电极。
一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器的制备方法，包括以下步骤：
（1）底电极的制备：通过高温热还原氧化石墨烯的方法在衬底上制备还原氧化石墨烯膜；
（2）存储介质层的制备：将纯绝缘性聚合物溶于溶剂后，旋涂于底电极上，烘干；
（3）顶电极的制备：用热蒸镀的方法在存储介质层上形成金属Al电极，即得存储器。
进一步的技术方案，所述的步骤（1）中衬底在使用前需预处理，具体方法是：将衬底依次采用乙醇、异丙醇、乙醇超声10-20min，氮气吹干，用氧气等离子清洗机在10-50W的功率下处理3-8min。
进一步的技术方案，所述的步骤（1）中高温热还原氧化石墨烯的方法是在衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，得氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在1000-1200℃的高温下还原0.5-3小时，得还原氧化石墨烯膜。
进一步的技术方案，所述的步骤（2）中旋涂采用旋涂仪，转速为800-1200rpm。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1、本发明采用的原料易得，成本低廉，制备出的存储器是一次写入多次读取存储器，具有非易失性的存储特性，存储器在低功耗下便能实现数据的存储，并且存储窗口值大、误读率低、开关比高、稳定性高。
2、本发明的制备方法简单，底电极是通过高温热还原氧化石墨烯制得，导电性能好；存储介质层的材料为纯绝缘性聚合物，通过全湿法旋涂在底电极上制备存储介质层，整个制备步骤简单。
3、本发明的存储介质层选用纯绝缘性聚合物，本身是无法实现存储的，但在我们存储器中通过采用还原氧化石墨烯电极，由于石墨烯电极表面的形貌，石墨烯表面会有褶皱，在施加电压的过程中，电荷积聚在这些褶皱的地方，到一定阶段，就会发生隧穿，由此实现存储，实现存储的过程与现有技术不同，但是制备的存储器质量高，方法简单。
附图说明
图1是本发明的存储器的结构示意图。
图2是实施例1中的存储器易存储过程的I-V关系曲线。
图3是实施例2中的存储器易存储过程的I-V关系曲线。
图4是实施例3中的存储器易存储过程的I-V关系曲线。
图中标号：1、衬底，2、底电极，3、存储介质层，4、顶电极。
具体实施方式
下面结合实施案例和附图对本发明作进一步详细说明。
以下所述仅是本发明的具体实施方式，本领域技术人员可以通过该说明书所阐述的内容轻易的了解本发明的各项细节与应用，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改善和润饰，这些改善改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
实施例1
一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器的制备方法，包括以下步骤：
（1）衬底处理：将硅片衬底分别采用乙醇，异丙醇，乙醇分别超声10min，氮气吹干，然后用氧气等离子清洗机在50W的功率下处理3min。
（2）底电极的制备：先在硅片衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，获得大面积的氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在1000℃的高温下还原2小时，获得还原氧化石墨烯膜。
（3）存储介质层的制备：将绝缘性聚合物PMMA溶于甲苯溶液中，然后旋涂在底电极上，旋涂仪转速为1000rpm，烘干，存储介质层的厚度为70nm；
（4）顶电极的制备；通过热蒸镀的方法，在存储介质层上制备金属Al电极，即得存储器。其结构如图1所示。
对上述存储器通过半导体参数分析仪进行性能测试，可以看出器件为典型的非易失性一次写入多次读取存储器，能在较低的电压下完成数据存储，并且都具有高开关比，性能优异，如图2所示的存储器的I-V关系曲线图，当施加正向电压在0-2.7V范围时，器件首先呈现出 “高阻态”。当我们继续加大扫描电压时，电流快速上升，表明器件由“高阻态”转变为“低阻态”，该过程即存储器的 “ 写入”过程。在 “ 写入”之后，扫描电压从5V至-5V的过程中，存储器的电流一直保持在较高水平。该过程即为器件的非易失性存储过程，此时存储器中“写入”的数据不能再被修改，表明存储器在信息安全领域具有潜在应用价值。当扫描电压从-5V降低至5V时，电流仍然处于较高水平，无法回到“高阻态”，为典型的非易失性一次写入多次读取，在永久信息存储领域具有潜在应用价值。
实施例2
一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器的制备方法，包括以下步骤：
（1）衬底处理：将硅片衬底分别采用乙醇，异丙醇，乙醇分别超声15min，氮气吹干，然后用氧气等离子清洗机在30W的功率下处理5min。
（2）底电极的制备：先在硅片衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，获得大面积的氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在1100℃的高温下还原1.5小时，获得还原氧化石墨烯膜。
（3）存储介质层的制备：将绝缘性聚合物PS溶于二氯代苯溶液中，然后旋涂在底电极上，旋涂仪转速为800rpm，烘干，存储介质层的厚度为75nm；
（4）顶电极的制备；通过热蒸镀的方法，在存储介质层上制备金属Al电极，即得存储器。
对上述存储器通过半导体参数分析仪进行性能测试，如图3所示的存储器的I-V关系曲线，为典型的非易失性一次写入多次读取，当施加正向电压0-2.4V时，器件电流缓慢增加，但是电流较低，器件仍处于“高阻态”。一旦电压超过2.4V，电流急速增加，器件由“高阻态”向“低阻态”转变。从图中可以观察到，一旦器件“写入”数据，器件将不会再次回到初始状态，在永久信息存储领域具有潜在应用价值。
实施例3
一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器的制备方法，包括以下步骤：
（1）衬底处理：将硅片衬底分别采用乙醇，异丙醇，乙醇分别超声20min，氮气吹干，然后用氧气等离子清洗机在10W的功率下处理8min。
（2）底电极的制备：先在硅片衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，获得大面积的氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在1200℃的高温下还原1小时，获得还原氧化石墨烯膜。
（3）存储介质层的制备：将绝缘性聚合物PVP溶于乙醇溶液中，然后旋涂在底电极上，旋涂仪转速为1200rpm，烘干，存储介质层的厚度为65nm；
（4）顶电极的制备；通过热蒸镀的方法，在存储介质层上制备金属Al电极，即得存储器。
对上述存储器通过半导体参数分析仪进行性能测试，如图4所示的存储器的I-V关系曲线，当施加正向电压0-3.9V时，器件电流较低，处于“高阻态”。一旦电压超过3.9V，电流急速增加，器件由“高阻态”向“低阻态”转变。从图中可以观察到，一旦器件“写入”数据，不管施加多大的方向电压，器件将不会再次回到初始状态。这说明该器件具有非易失性一次写入多次读取的存储性能，在永久信息存储领域具有潜在应用价值。

Claims (8)

1.一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器，其特征在于：包括衬底，衬底之上依次为底电极、存储介质层、顶电极，所述的存储介质层是纯绝缘性聚合物层；
所述的纯绝缘性聚合物层中的纯绝缘性聚合物是聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种；
所述的底电极是还原氧化石墨烯电极。
2.根据权利要求1所述的一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器，其特征在于：所述的纯绝缘性聚合物层的制备方法是将纯绝缘性聚合物溶于溶剂后，旋涂于底电极上，烘干。
3.根据权利要求1所述的一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器，其特征在于：所述的存储介质层的厚度为60nm-80nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器，其特征在于：所述的衬底是硅片衬底，所述的顶电极是Al电极、Ag电极中的一种。
5.一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)底电极的制备：通过高温热还原氧化石墨烯的方法在衬底上制备还原氧化石墨烯膜；
(2)存储介质层的制备：将纯绝缘性聚合物溶于溶剂后，旋涂于底电极上，烘干；
(3)顶电极的制备：用热蒸镀的方法在存储介质层上形成金属Al电极，即得存储器。
6.根据权利要求5所述的一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中衬底在使用前需预处理，具体方法是：将衬底依次采用乙醇、异丙醇、乙醇超声10-20min，氮气吹干，用氧气等离子清洗机在10-50W的功率下处理3-8min。
7.根据权利要求5所述的一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中高温热还原氧化石墨烯的方法是在衬底上旋涂氧化石墨烯溶液，得氧化石墨烯薄膜，然后在氩/氢混合气氛中在1000-1200℃的高温下还原0.5-3小时，得还原氧化石墨烯膜。
8.根据权利要求5所述的一种具有普适性的非易失性一次写入多次读取存储器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中旋涂采用旋涂仪，转速为800-1200rpm。
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