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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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，應用于電化學和微電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]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)—半的市場。隨著移動存儲設(shè)備、手機通信設(shè)備以及數(shù)碼相機等各種便攜式數(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一步增加，除了密度高、成本低，還應具有功耗低、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、縮放性強的阻變存儲器應運而生，被視為下一代非易失性存儲器的主流材料之一。
[0003]阻變存儲器的結(jié)構(gòu)簡單，其存儲單元由類似電容器的M頂(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Ti02，Cr2O3和N1 ；
2.鈣鈦礦型復合過渡金屬氧化物，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) T13, Pb (ZrxTi1 x) O3, BiFeO3, PrxCa1 χΜη03；
3.能帶寬高k值的氧化物電介質(zhì)，如Al2O3和Gd203；
4.硫?qū)倩衔?，如In2SeJPIn2Te3;
5.碳基材料，如非晶碳膜，石墨烯，氧化石墨烯等。
[0004]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、與標準CMOS工藝兼容性好等優(yōu)點。
[0005]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: SrT13*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: SrT1j^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報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]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。
[0007]為達到上述發(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%。
[0008]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。
[0009]作為上述技術(shù)方案中進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，阻變層的厚度為50~150nm。
[0010]作為上述技術(shù)方案中進一步優(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。
[0011]作為上述技術(shù)方案中進一步優(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。
[0012]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:
51:襯底層預處理；
52:在襯底層之上生長下電極層；
53: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；
S3.3:開啟機械栗、預抽閥，將腔體內(nèi)的氣壓抽到SPa以下；
S3.4:關(guān)閉預抽閥，開啟前級閥，延時30s，長按電動插板閥至PV為100% ;
S3.5:啟動分子栗，將腔體內(nèi)氣壓抽至10 3Pa以下，關(guān)閉真空計；
S3.6:開啟真空計，將腔體內(nèi)氣壓抽至10 3Pa以下，開啟充氣閥，向腔體中通氬氣；
S3.7:調(diào)節(jié)濺射氣壓為0.4Pa，濺射功率100W ；
53.8:開始生長a-C/Fe薄膜，形成a_C/Fe薄膜阻變層；
54:在阻變層之上繼續(xù)生長上電極層，得到碳基材料阻變存儲單元樣件；
55:將完成上電極層生長的碳基材料阻變存儲單元樣件與測試系統(tǒng)進行裝配和并進行測試，通過測試達到技術(shù)標準的碳基材料阻變存儲器樣件即為達標阻變存儲器單元成品。
[0013]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，上述步驟SI包括以下步驟:
S1.1:采用普通鈉鈣玻璃作為襯底層；
S1.2:分別利用去離子水、丙酮和乙醇將襯底層超聲清洗15分鐘，洗去襯底層的表面的雜質(zhì)與有機物；
51.3:利用氬氣將襯底層吹干。
[0014]作為上述技術(shù)方案中進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，上述步驟S2包括以下步驟:
52.1:在襯底層上覆蓋下電極掩膜版；
S2.2:將下電極掩膜版放入雙離子束鍍膜腔體中，采用雙離子束鍍膜法依次在下電極掩膜版上生長Ti電極層及Au電極層，形成層狀復合材料的下電極層。
[0015]作為上述技術(shù)方案中進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，上述步驟S4包括以下步驟:
54.1:在長好a-C/Fe薄膜阻變層后，在阻變層上覆蓋上電極掩膜版；
S4.2:將上電極掩膜版放入雙離子束鍍膜腔體中，采用雙離子束鍍膜法分別生長Pt電極層以及Al電極層，形成層狀復合材料的上電極層。
[0016]作為上述技術(shù)方案中進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，在上述步驟S5中，將上電極層接地，將下電極層接掃描電壓，限流I μΑ進行測試。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明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；
2.本發(fā)明具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元的阻變性能穩(wěn)定，其阻變窗口大于10，存儲時間大于2 X 14S ；
3.本發(fā)明具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元會使阻變層薄膜具有較高的矯頑力和巨磁阻等獨特的磁性質(zhì)和磁輸運特性，單元結(jié)構(gòu)簡單，制備成本低廉。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例測試具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元的電流與電壓曲線圖。
[0020]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元制備方法流程圖。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
在本實施例中，參見圖1~圖3，一種具有反常阻變特性的碳基材料阻變存儲單元，其特征在于:自下而上依次主要由襯底層1、下電極層2、阻變層3和上電極層4結(jié)合而成，阻變層3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%，阻變層3的厚度為lOOnm，下電極層2為Ti電極層和Au電極層互相結(jié)合的復合電極層，其中Ti電極層和Au電極層的厚度分別為10 nm和140 nm，上電極層4為Al電極層和Pt電極層互相結(jié)合的復合電極層，其中Al電極層和Pt電極層的厚度分別為190nm和10 nm。在本實施例中，下電極層2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4形成平行柵條形的電極圖案結(jié)構(gòu)，并使上電極層4和下電極層2在阻變層3上的投影呈十字交叉陣列關(guān)系，使上電極層4與下電極層2之間呈空間十字交叉陣列排布結(jié)構(gòu)。
[0022]在本實施例中，參見圖1~圖3，一種制備本實施例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:
51:襯底層I預處理，包括以下步驟:
S1.1:采用普通鈉鈣玻璃作為襯底層I ;
S1.2:分別利用去離子水、丙酮和乙醇將襯底層超聲清洗15分鐘，洗去襯底層I的表面的雜質(zhì)與有機物；
51.3:利用氬氣將襯底層I吹干；
52:在襯底層I之上生長下電極層2，包括以下步驟:
52.1:在襯底層I上覆蓋下電極掩膜版；
S2.2:將下電極掩膜版放入雙離子束鍍膜腔體中，采用雙離子束鍍膜法依次在下電極掩膜版上生長Ti電極層及Au