本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器及其制备方法。
背景技术：
1、cbram(conductive bridging randomaccess memory)导电桥随机存储器作为一种非易失性存储器技术，吸引了广泛的研究兴趣，其工作机制涉及通过氧化物阻变层中的离子迁移形成导电通道，从而实现可编程的电阻性切换。传统的cbram一般为三明治结构，一个电极为活泼金属，如cu或ag；中间层一般为固态电解质，如ag2s等；另一个电极为惰性金属，如pt或au。现在的cbram也可以通过在中间层掺杂活泼金属或者在电极和中间层之间加入含有活泼金属的插入层来制得。cbram的阻变机制一般被认为是金属阳离子在中间层中迁移导致连接底电极和顶电极的导电细丝形成或断裂，进而表现出低阻态或者高阻态。
2、然而，cbram器件在实际应用中面临着一些挑战，其中之一就是氧化物阻变层中氧空位通道的无序性。在cbram器件中，通常选用ag或cu作为电极，并通过控制氧化物阻变层中的氧空位通道来实现电阻性的可编程切换。但常用的氧化物阻变层材料，如hfox和alox，此类型的氧化物一般为非晶状态，且制备过程中会形成区域不固定的氧空位缺陷，因此导致了形成的氧空位通道具有一定的无序性。这种无序性可能导致cbram器件中形成的金属导电通道具有不稳定性，从而使得相应器件表现为阻变切换的随机性，影响器件的开关比以及数据保持的稳定性。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提出了一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器及其制备方法，以解决现有的金属导电桥型阻变存储器中阻变层氧空位无序性导致的金属通道的不稳定性，从而影响器件的开关比以及数据保持的稳定性的问题。
2、本发明的技术方案是这样实现的：
3、第一方面，本发明提供了一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器，包括由下至上依次设置的衬底层、下电极层、阻变功能层和上电极层，
4、所述阻变功能层具有垂直型类超晶格条纹结构，所述垂直型类超晶格条纹结构垂直于下电极层，所述上电极层为活泼金属；
5、所述垂直型类超晶格条纹结构内的正四面体通道形成氧空位通道，所述氧空位通道垂直于下电极层，当施加1～5v的偏压后，上电极层的金属离子沿氧空位通道均匀的从上电极层定向迁移至阻变功能层，形成金属导电丝桥，通过金属导电丝桥的形成或断裂控制存储器的开关。
6、具体地，以srfeox为例，垂直型类超晶格条纹结构是由feo6正八面体通道和feo4正四面体通道交替形成的具有类超晶格结构的条纹结构，所述垂直型类超晶格条纹结构垂直于下电极层，而氧空位通道主要存在于feo4正四面体构成的一维通道中，即氧空位通道垂直于下电极层，因此当阻变功能层具有垂直型类超晶格结构时，只存在于feo4正四面体层的氧空位通道即为垂直型结构，与电场的施加方向一致，ag离子能在这种垂直型氧空位通道中快速迁移，使得ag导电丝能够快速的开启和断裂。
7、本发明中，通过在阻变层形成垂直型氧空位通道，垂直型氧空位通道的存在为活泼金属离子提供了有序的迁移路径，在阻变功能层中，金属离子通过氧空位通道进行迁移，而有序排列的通道可以使离子迁移更加有规律，使得金属导电丝桥的形成和断裂过程更加有序和可控，减少了随机性和不可预测性；有序的氧空位通道有助于活泼金属离子在阻变功能层内部的有序迁移，从而提高导电丝的成型和断裂的有序性，可以减少金属通道的不稳定性，提高其持久性和可靠性。一方面，有序的离子迁移路径和导电丝成型有序性可以使金属通道的形成和断裂更加可控和有序，这意味着在存储器件的操作过程中，金属通道的形成和断裂更加稳定，可以更精确地控制存储单元的导通和断开状态，因此，器件的开关比可以得到显著提高，即在开关过程中，存储器件的电阻变化更为明显，提高了存储器件的可靠性和稳定性。另一方面，有序的离子迁移路径和导电丝断裂的有序性可以减少金属通道在长时间存储状态下的不稳定性，即存储器件在不同状态下的电阻值更加稳定，可以更长时间地保持存储的数据，器件的数据保持性能得到提高，即存储器件在断电或长时间存储状态下能够更稳定地保持存储的数据。
8、在以上技术方案的基础上，优选的，所述阻变功能层为srfeo2.5或srcoo2.5薄膜，所述阻变功能层的厚度为20～30nm。
9、具体地，在拓扑相变材料中，以钙铁石型氧化物srfeo2.5为例，该结构是由钙钛矿型srfeo3材料中规律的失去氧离子，形成了feo6正八面体和feo4正四面体相邻的钙铁石型结构，因此在srfeo2.5晶体结构中，氧空位的排布结构具有规律性，氧空位只存在于失去氧离子的feo4正四面体附近，氧空位的排列方向与类超晶格结构保持一致，即为垂直型氧空位通道，因此使用srfeo2.5作为氧化物阻变层，提供有序的氧空位通道供活泼金属离子迁移，有利于提高导电丝成型和断裂的有序性，从而提升相应cbram的数据保持力以及器件开关比。
10、在以上技术方案的基础上，优选的，所述下电极层为镧锶锰氧薄膜，所述下电极层的厚度为20～30nm。
11、以常规的ito、srruo3等材料作为下电极层时，会导致在下电极层表面沉积制备阻变功能层时发生晶格失配，从而难以直接形成垂直类超晶格结构，进而无法形成垂直型氧空位通道。镧锶锰氧薄膜具有和srfeo2.5或srcoo2.5相似的晶格参数，促使阻变功能层在镧锶锰氧薄膜表面的外延生长过程中，两种材料的晶格可以更好地匹配，减少晶格失配和形成位错的可能性；同时镧锶锰氧薄膜与srfeo2.5或srcoo2.5之间的界面能匹配度较高，在生长过程中形成的界面应力较小，有利于减小晶格畸变和缺陷的产生。因此在lsmo表层可以外延出具有垂直型超晶格条纹的阻变功能层，使得功能层具有垂直有序的氧空位通道，这为活泼金属电极迁移提供了有利条件。
12、在以上技术方案的基础上，优选的，所述上电极层为ag或cu，所述上电极层的厚度为70～100nm。
13、在以上技术方案的基础上，优选的，所述衬底层包括srtio3、laalo3、la0.3sr0.7al0.65ta0.35o3和dysco3中的任意一种。
14、第二方面，本发明提供了如上任一项所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：
15、s1、在衬底表面通过脉冲激光沉积法外延生长下电极层；
16、s2、在下电极层表面通过脉冲激光沉积法沉积具有垂直型类超晶格条纹的阻变功能层；
17、s3、在阻变功能层表面通过湿法转移法制备上电极层，得到金属导电桥型阻变存储器。
18、既往制备上电极层的工艺方法为热蒸镀法，热蒸镀是采用加热使金属熔融产生蒸汽流然后扩散至待沉积的表面，因此加热后的金属蒸汽具有较高的扩散效率，这些高速迁移的蒸汽云扩散至待沉积的表面中，形成非晶界面层，但本发明中阻变功能层具有垂直型氧空位通道，当采用热蒸镀法在阻变功能层制备上电极层时，由于热蒸镀法需要高温，而且金属蒸汽具有较高的扩散效率，会导致温度梯度的存在，这种温度梯度会引起上电极层沉积过程中的非均匀性，导致金属离子扩散不均匀，进而导致金属离子在垂直型氧空位通道中迁移不均匀，这种不均匀会影响器件的稳定性、可靠性等性能。本发明中采用湿法转移法在阻变功能层表面制备上电极层，相比之下，湿法转移法可以避免热蒸镀法导致的离子扩散不均匀的缺点，具体地，湿法转移法是一种在溶液中将材料从一个表面转移到另一个表面的方法，可实现金属材料的均匀沉积，避免了热蒸镀法可能导致的金属离子扩散不均匀的问题，有利于形成均匀的金属导电桥，同时可避免非晶界面层的形成，从而提高了器件的性能和稳定性。
19、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1中脉冲激光沉积的工艺条件：温度为650～700℃，腔体气氛为氧气，气压为15～20pa，激光能量为250～450mj，激光频率为1～8hz，真空度为1×10-7～9×10-6pa，衬底与靶材间距为40～60mm。
20、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中脉冲激光沉积的工艺条件：温度为650～700℃，腔体气氛为氧气，气压为0.6～2pa，激光能量为250～450mj，激光频率为1～8hz，真空度为1×10-7～9×10-6pa，衬底与靶材间距为40～60mm。
21、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中湿法转移法包括以下步骤：
22、s31、在sio2/si衬底表面采用电子束蒸镀法制备上电极层；
23、s32、在上电极层表面旋涂pmma，并蚀刻sio2，得到上电极/pmma；
24、s33、将上电极/pmma和步骤s2中的材料均置于去离子水浸泡，以将金属电极/pmma转移至阻变功能层表面，去除pmma层，并于120～180℃下加热8～12min，实现在阻变功能层表面制备上电极层。
25、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s31中电子束蒸镀法的工艺条件包括：沉积速度为2～2.5nm/min，沉积时间为35～45min。
26、本发明的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
27、(1)通过采用具有垂直型超晶格条纹的拓扑相变材料作为阻变功能层，搭配活泼的上电极金属，利用活泼金属在垂直型氧空位通道的有序迁移，形成高度有序的金属导电丝桥，得到具有大开关比和良好数据保持力的基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器；
28、(2)通过以镧锶锰氧薄膜作为下电极层，可避免下电极层与阻变功能层的晶格失配，直接在下电极层表面制备得到具有垂直型超晶格条纹的阻变功能层；
29、(3)通过采用湿法转移法在阻变功能层表面制备上电极层，可进一步减少常规热蒸镀法制备上电极层时晶体缺陷导致的离子扩散不均匀现象。
1.一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器，其特征在于：包括由下至上依次设置的衬底层、下电极层、阻变功能层和上电极层，
2.如权利要求1所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器，其特征在于：所述阻变功能层为srfeo2.5或srcoo2.5薄膜，所述阻变功能层的厚度为20～30nm。
3.如权利要求1所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器，其特征在于：所述下电极层为镧锶锰氧薄膜，所述下电极层的厚度为20～30nm。
4.如权利要求1所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器，其特征在于：所述上电极层为ag或cu，所述上电极层的厚度为70～100nm。
5.如权利要求1所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器，其特征在于：所述衬底层包括srtio3、laalo3、la0.3sr0.7al0.65ta0.35o3和dysco3中的任意一种。
6.如权利要求1～5任一项所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器的制备方法，其特征在于：步骤s1中脉冲激光沉积的工艺条件：温度为650～700℃，腔体气氛为氧气，气压为15～20pa，激光能量为250～450mj，激光频率为1～8hz，真空度为1×10-7～9×10-6pa，衬底与靶材间距为40～60mm。
8.如权利要求6所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器的制备方法，其特征在于：步骤s2中脉冲激光沉积的工艺条件：温度为650～700℃，腔体气氛为氧气，气压为0.6～2pa，激光能量为250～450mj，激光频率为1～8hz，真空度为1×10-7～9×10-6pa，衬底与靶材间距为40～60mm。
9.如权利要求6所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器的制备方法，其特征在于：步骤s3中湿法转移法包括以下步骤：
10.如权利要求9所述的一种基于拓扑相变材料的金属导电桥型阻变存储器的制备方法，其特征在于：步骤s31中电子束蒸镀法的工艺条件包括：沉积速度为2～2.5nm/min，沉积时间为35～45min。
