[發明專利]一種電阻型隨機存儲器的存儲單元及其制備方法

有效

• 申請號: 201310446932.4
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN104518083B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發明（設計）人: 諸葛飛;陳浩;曹鴻濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;G11C11/56
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 劉誠午

技術領域

本發明涉及非揮發性存儲器技術領域，尤其涉及一種電阻型隨機存儲器的存儲單元及其制備方法。

背景技術

當前數字高科技的飛速發展，對現有信息存儲產品的性能提出了更高的要求，例如：高速度、高密度、長壽命、低成本和低功耗等，同時也揭示了現有隨機存儲技術的缺陷。動態存儲器和靜態存儲器的弱點之一是其易失性：斷電情況下信息丟失，并且易受電磁輻射干擾。閃存則存在讀寫速度慢、記錄密度低等技術障礙。因此，迫切需要在存儲材料和技術方面取得突破，以開發新一代的存儲器技術。

2000年美國休斯頓大學在金屬/鈣鈦礦錳氧化物（PrCaMnO）/金屬這種三明治結構中發現，在兩金屬電極間施加電脈沖可以使體系電阻在高低阻值上來回快速切換。隨后，人們發現在NiO、CuO、ZrO2、TiO2等多種二元過渡族金屬氧化物中也存在類似的電致電阻轉變效應。基于該電阻轉變效應，人們提出了一種新型非易失性存儲器概念—電阻型隨機存儲器（RRAM）。

電阻型隨機存儲器的存儲單元，一般結構為絕緣襯底，絕緣襯底表面設置第一電極，第一電極表面上設置具有電阻轉變特性材料制成的中間層，中間層的表面設置第二電極，和其它存儲器相比，電阻型隨機存儲器（RRAM）具有制備簡單、擦寫速度快、存儲密度高、與半導體工藝兼容性好等主要優勢。

目前，絕大部分關于電阻型隨機存儲器（RRAM）中間層的研究均集中于氧化物材料，但已有采用非氧化物材料作為中間層的研究。本申請人在公開號為CN101599530B的專利文獻公開了一種電阻型隨機存儲器的存儲單元及其制備方法，包括絕緣襯底，絕緣襯底表面設置第一電極，第一電極表面上設置具有電阻轉變特性材料制成的中間層，中間層的表面設置第二電極，所述中間層由氧化石墨烯薄膜形成，中間層的厚度范圍為1～200nm。

發明內容

本發明提供了一種電阻型隨機存儲器的存儲單元及其制備方法，采用氮摻雜多孔碳薄膜作為中間層材料，制備的電阻型隨機存儲器不需要電形成過程，高低電阻態間差值大于100倍，且表現出優異的高溫穩定性能。

本發明公開了一種電阻型隨機存儲器的存儲單元，包括從下至上依次設置的襯底、第一電極、中間層及第二電極，所述中間層由氮摻雜多孔碳薄膜形成。

作為優選，所述中間層的厚度為1nm～1μm。

作為優選，所述襯底的材質為絕緣材料（玻璃、熱氧化硅片、陶瓷等）、半導體材料（硅、氧化物半導體、氮化物半導體等）或導電材料（各種金屬、石墨等）。

作為優選，所述第一電極和第二電極為鋁、銅、金、銀、鉑、鈦、鎢、鉭、鐵、錫、鈷、鎳中的一種或多種。

本發明還公開了一種電阻型隨機存儲器的存儲單元的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、在襯底表面沉積金屬薄膜作為第一電極；

步驟2、在第一電極表面沉積氮摻雜多孔碳薄膜；

步驟3、在氮摻雜多孔碳薄膜表面上沉積金屬薄膜作為第二電極；

步驟4、采用反應離子刻蝕或電感耦合等離子體刻蝕的方法在步驟3已獲得的結構基礎上制備出隔離的器件結構。

作為優選，步驟2中所述氮摻雜多孔碳薄膜的制備過程如下：采用磁控濺射的方法，以富碳材料作為濺射靶材，以氮氣或者氮氣與氬氣的混合氣體作為濺射氣氛，在步驟1制備的第一電極上沉積氮摻雜碳膜；然后在真空、氮氣或惰性氣氛中，在300～1000℃下，將氮摻雜碳膜熱處理10秒～20小時，得到所述的氮摻雜多孔碳薄膜。

通過改變襯底溫度、襯底偏壓、濺射功率、濺射氣壓等工藝參數，可以調整氮摻雜碳薄膜中氮原子的百分含量為0.1%～40%。作為優選，所述襯底溫度為20～500℃，襯底偏壓為0～–500V，濺射功率為20W～5kW，濺射氣壓為0.1～100Pa。

作為優選，所述的氮摻雜碳膜熱處理過程為：首先在保護性氣氛中將氮摻雜碳膜升溫至500～700℃，在該溫度下保溫20秒～2小時，后冷卻至室溫。所述的升溫步驟采用射頻爐、電阻爐或快速退火爐實現。

作為優選，步驟3中，采用濺射或電子束蒸發的方法在氮摻雜多孔碳薄膜表面制備第二電極，第二電極采用掩膜板或光刻或干刻的方法成型。

氮摻雜會在非晶碳薄膜中引入C–N、C=N和C≡N鍵，因此可以改善非晶碳薄膜的熱穩定性，經熱處理后得到的氮摻雜多孔碳薄膜也具有極佳的熱穩定性。以該氮摻雜多孔碳薄膜作為中間層制備的電阻型隨機存儲器，具有優異的高溫穩定性。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：