[發(fā)明專利]具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510565633.1
• 申請日: 2015-09-08
• 公開（公告）號: CN105140392B
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 汪琳;張淑瑋;吳白羽;周家偉;任兵;黃健;王林軍
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24;G11C11/56
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙)31205
• 代理人: 顧勇華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種存儲設(shè)備及其制備方法，特別是涉及一種阻變存儲器及其制備方法，應(yīng)用于電化學(xué)和微電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，硅基閃存設(shè)備由于密度高、成本低，占據(jù)了非易失性存儲器(NVM)一半的市場。隨著移動存儲設(shè)備、手機(jī)通信設(shè)備以及數(shù)碼相機(jī)等各種便攜式數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展與普及，市場對非易失性存儲的需求進(jìn)一步增加，除了密度高、成本低，還應(yīng)具有功耗低、讀寫速度快、性能穩(wěn)定、存儲時間長等特點。然而閃存的縮放特性，即進(jìn)一步提高閃存密度，已接近其物理極限，因此功耗低、擦寫速度快、縮放性強(qiáng)的阻變存儲器應(yīng)運而生，被視為下一代非易失性存儲器的主流材料之一。

阻變存儲器的結(jié)構(gòu)簡單，其存儲單元由類似電容器的MIM(金屬-絕緣體-金屬)的三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)成，中間薄膜一般為具有阻變特性的介質(zhì)薄膜。當(dāng)對存儲單元兩端電極施加大小或者極性不同的電壓時，可以實現(xiàn)高、低阻態(tài)的相互轉(zhuǎn)換。目前，科研工作者發(fā)現(xiàn)很多材料具有阻變性能：

1.二元過渡金屬氧化物(TMOS)，如TiO₂，Cr₂O₃和NiO；

2.鈣鈦礦型復(fù)合過渡金屬氧化物，這些氧化物具有各種功能、順電性、鐵電性、磁電性和磁性，如(Ba,Sr)TiO₃，Pb(Zr_xTi_1-x)O₃，BiFeO₃，Pr_xCa_1-xMnO₃；

3.能帶寬高k值的氧化物電介質(zhì)，如Al₂O₃和Gd₂O₃；

4.硫?qū)倩衔铮鏘n₂Se₃和In₂Te₃；

5.碳基材料，如非晶碳膜，石墨烯，氧化石墨烯等。

與其他RRAM材料相比，非晶碳膜具有縮放性能持久穩(wěn)定、成本低廉、與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容性好等優(yōu)點。

根據(jù)發(fā)生阻變的電壓極性，可以將阻變模式分為單極型阻變特性和雙極型阻變特性。單極型阻變特性是指阻變的發(fā)生不依賴于電壓極性，而雙極型則是在某一電壓極性下發(fā)生SET過程，在相反的電壓極性下出現(xiàn)RESET過程。最近，在ZnO和Nb:SrTiO₃中發(fā)現(xiàn)了一種反常阻變特性，SET或RESET過程出現(xiàn)在零偏壓的時候，但ZnO和Nb:SrTiO₃的磁性質(zhì)和磁輸出特性還不夠理想，制備成本也較高，目前對Fe摻雜非晶碳膜阻變存儲單元的研究還未見文獻(xiàn)報道。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元及其制備方法，它通過在非晶體碳中摻雜Fe，使得不含氧的a-C/Fe薄膜阻變層具有磁性、具有反常阻變特性，且阻變性能穩(wěn)定。

為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元，自下而上依次主要由襯底層、下電極層、阻變層和上電極層結(jié)合而成，阻變層為在非晶碳膜中摻雜有Fe的a-C/Fe薄膜阻變層，其中Fe的摻雜量為4.0at%。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，下電極層形成長條直板形結(jié)構(gòu)，另外通過圖案化方法使上電極層形成平行柵條形的電極圖案結(jié)構(gòu)，并使上電極層和下電極層在阻變層上的投影呈十字交叉陣列關(guān)系。

作為上述技術(shù)方案中進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，阻變層的厚度為50~150nm。

作為上述技術(shù)方案中進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，下電極層為Ti電極層和Au電極層互相結(jié)合的復(fù)合電極層，其中Ti電極層和Au電極層的厚度分別為5~15 nm和100~200 nm。

作為上述技術(shù)方案中進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，上電極層為Al電極層和Pt電極層互相結(jié)合的復(fù)合電極層，其中Al電極層和Pt電極層的厚度分別為150~250nm和5~15 nm。

本發(fā)明還提供一種制備本發(fā)明具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元的方法，包括以下步驟：

S1：襯底層預(yù)處理；

S2：在襯底層之上生長下電極層；

S3：在下電極層之上繼續(xù)生長阻變層，包括以下步驟；

S3.1：采用Fe、C組成的復(fù)合靶材，在下電極層之上繼續(xù)貼上薄膜掩膜版；

S3.2：將薄膜掩膜版放入磁控濺射的腔體中；