一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供了一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元及其制備方法，包括從下往上依次設(shè)置的基片、底電極、阻變層、頂電極；其特征在于，所述底電極與阻變層之間還設(shè)置有隔離層。本發(fā)明通過增加納米級(jí)隔離層，使阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)窗口提高到105量級(jí)以上，達(dá)到多級(jí)存儲(chǔ)所需的首要條件；并且采用電化學(xué)活性材料作為頂電極，利用電化學(xué)活性材料的漂移特性實(shí)現(xiàn)不同電壓激勵(lì)下不同的電阻狀態(tài)，達(dá)到多級(jí)存儲(chǔ)的目的。同時(shí)，隔離層的加入減小了氧離子移動(dòng)過程中的耗散，有效的保護(hù)了底電極，增大了器件的穩(wěn)定性。另外，該多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元的制備方法工藝簡(jiǎn)單、易控制。
【專利說明】—種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子材料與元器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及信息存儲(chǔ)技術(shù)，具體涉及一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，市場(chǎng)上的存儲(chǔ)器件主要有磁存儲(chǔ)器和Flash存儲(chǔ)器，如傳統(tǒng)電腦硬盤、U盤、固態(tài)硬盤。阻變存儲(chǔ)器主要指利用固體元器件阻變層電阻狀態(tài)的可逆改變而存儲(chǔ)相關(guān)信息的新型存儲(chǔ)器，雖然尚未進(jìn)入商業(yè)運(yùn)用階段，但作為公認(rèn)的下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)器件，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
[0003]阻變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)是一種多層薄膜結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)為:底電極/阻變層/頂電極，如圖1所示。當(dāng)施加電壓激勵(lì)時(shí)，會(huì)改變阻變層的電阻狀態(tài)，利用該效應(yīng)可制作出相應(yīng)的存儲(chǔ)器。阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，核心的阻變層只由一種材料組成，易于大面積制備，可極大的降低生產(chǎn)成本；數(shù)據(jù)保存能力強(qiáng)，在器件使用的環(huán)境下，基本不受溫度、磁場(chǎng)等外界因素的影響，因此不易造成數(shù)據(jù)的丟失；存儲(chǔ)密度大，目前阻變存儲(chǔ)器單元已縮小至12X 12nm2，且未發(fā)現(xiàn)任何衰減現(xiàn)象；存儲(chǔ)和讀取速度快，從電阻轉(zhuǎn)變的機(jī)理及器件的設(shè)計(jì)上優(yōu)勢(shì)明顯，因此存儲(chǔ)速度遠(yuǎn)大于磁存儲(chǔ)器和Flash存儲(chǔ)器；耗能低，使用功率在10_3?_8W的范圍內(nèi)，使用電流10_3?-8A,產(chǎn)熱小，對(duì)散熱的要求較低。
[0004]目前，阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)窗口(高電阻與低電阻的比值)普遍在IO2-1O3的數(shù)量級(jí)上，而存儲(chǔ)電路只有在存儲(chǔ)窗口大于IO1時(shí)才能識(shí)別，因此目前阻變存儲(chǔ)器仍為傳統(tǒng)的二級(jí)存儲(chǔ)，即存儲(chǔ)狀態(tài)僅有O、I態(tài)，這種兩級(jí)存儲(chǔ)模式限制了存儲(chǔ)密度的進(jìn)一步提升。因而，近年來科學(xué)家們提出了多級(jí)存儲(chǔ)作為未來高密度存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)模式。而要實(shí)現(xiàn)基于阻變存儲(chǔ)的多級(jí)存儲(chǔ)，阻變存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)窗口首先必須大于103，其次需要阻變單元的電阻應(yīng)在不同的激勵(lì)電壓下呈現(xiàn)不同的電阻變化，從而實(shí)現(xiàn)多電阻態(tài)。因而本發(fā)明著手解決這種需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供了一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元及其制備方法，該多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元存儲(chǔ)窗口大于IO5數(shù)量級(jí)，可實(shí)現(xiàn)4級(jí)以上存儲(chǔ)，基于其可制備多級(jí)存儲(chǔ)器。該多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元制備方法工藝簡(jiǎn)單、易控制。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元，包括從下往上依次設(shè)置的基片、底電極、阻變層、頂電極；其特征在于，所述底電極與阻變層之間還設(shè)置有隔離層。
[0007]優(yōu)選的，所述隔離層的材料為Ta、Ti或Al，厚度為I?10nm。
[0008]所述多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元為圓形或方形，其直徑或邊長為50納米?500微米。
[0009]所述頂電極尺寸小于多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元尺寸，當(dāng)多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元為圓形時(shí)，頂電極直徑為40納米?450微米；當(dāng)多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元為方形時(shí)，頂電極邊長為40納米?450微米。
[0010]所述阻變層的材料為NiO、HfO2或ZnO，厚度為30?lOOnm。[0011]所述頂電極的材料為Ag或Cu，厚度為50-300nm。
[0012]所述多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0013]步驟1.在覆蓋Pt或Au的Si基片上采用剝離光刻工藝，經(jīng)過涂膠、預(yù)烘、曝光、后烘、范爆、顯影、烘干工藝，光刻出相應(yīng)尺寸和形狀的阻變存儲(chǔ)器單元圖形；
[0014]步驟2.采用真空鍍膜方法，在經(jīng)步驟I光刻出圖形的基片上依次沉積隔離層與阻變層；
[0015]步驟3.采用與步驟I相同工藝，在經(jīng)步驟2沉積得阻變層上制備頂電極，即最終制備得多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元。
[0016]本發(fā)明提供的多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)中隔離層的加入在增加底電極附近的氧密度的同時(shí)，限制氧向底電極的擴(kuò)散，使器件的阻變機(jī)制從體控制轉(zhuǎn)變變?yōu)榻缑婵刂?，極大的增大存儲(chǔ)窗口，使其達(dá)到大于IO5量級(jí)；其次，當(dāng)選用電化學(xué)活性材料(Ag、Cu)做頂電極，施加電壓后，頂電極材料向底電極方向漂移，在不同的電壓下，電極材料漂移的距離和數(shù)量不同，導(dǎo)致導(dǎo)電通道數(shù)量和直徑不同，從而形成不同的電阻狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)。另外，隔離層的加入減小了氧離子移動(dòng)過程中的耗散，有效的保護(hù)了底電極，增大了器件的穩(wěn)定性。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]本發(fā)明利用納米級(jí)隔離層，使阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)窗口提高到IO5量級(jí)以上，達(dá)到多級(jí)存儲(chǔ)所需的首要條件；并且采用電化學(xué)活性材料作為頂電極，利用電化學(xué)活性材料的漂移特性實(shí)現(xiàn)不同電壓激勵(lì)下不同的電阻狀態(tài)，達(dá)到多級(jí)存儲(chǔ)的目的。同時(shí)，隔離層的加入減小了氧離子移動(dòng)過程中的耗散，有效的保護(hù)了底電極，增大了器件的穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是傳統(tǒng)阻變存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I為頂電極、2為阻變層、3為底電極、4為基片。
[0020]圖2是本發(fā)明制備的多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元的示意圖；其中，I為頂電極、2為阻變層、3為隔離層、4為底電極、5為基片。
[0021]圖3是加入隔離層后的阻變存儲(chǔ)器的電阻變化曲線。
[0022]圖4是通過電壓控制實(shí)現(xiàn)的多級(jí)存儲(chǔ)電阻變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明，需要說明的是，本發(fā)明并不局限于該實(shí)施例。
[0024]一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元，包括從下往上依次設(shè)置的基片、底電極、阻變層、頂電極；其特征在于，所述底電極與阻變層之間還設(shè)置有隔離層。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0025]本實(shí)施例中，多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元為方形，其長邊、短邊均為200微米，隔離層材料選擇為Ta，厚度為2nm ;阻變層材料選擇為NiO，厚度為55nm ;頂電極為長邊、短邊均為100微米、厚度為150nm的Cu膜。需要說明的是，其隔離層與阻變層尺寸略小于底電極只是為了方便本實(shí)施例制備得多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元的測(cè)試。
[0026]上述多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元的制備方法，包括以下步驟:
[0027]步驟1:在覆蓋Pt的Si基片上涂上反膠，預(yù)烘后采用光刻板圖光學(xué)曝光形成圖形，后烘后進(jìn)行范曝，顯影后再烘干，光刻出長邊、短邊均為200微米的存儲(chǔ)單元圖形；
[0028]步驟2:將基片置于磁控濺射設(shè)備中，利用直流磁控濺射沉積隔離層/阻變層，其中隔離層材料選擇為Ta，厚度為2nm ;阻變層材料選擇為NiO，厚度為55nm ;沉積完成后，將基片置于丙酮溶液中去掉光刻膠，去膠完成后即在基片上留下阻變存儲(chǔ)器單元圖形；
[0029]步驟3:采用同步驟I的相同工藝光刻出頂電極圖形，頂電極單元長邊與短邊均為100微米；而后采用薄膜沉積工藝，鍍制150nm厚的Cu膜作為頂電極；頂電極沉積完成后，將基片置于丙酮溶液中去掉光刻膠，去膠完成后即在基片上留下帶頂電極的最終多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元。
[0030]測(cè)試:將阻變存儲(chǔ)單元置于探針測(cè)試臺(tái)上，利用探針分別接觸頂電極和底電極，通過控制電壓，可以達(dá)到多級(jí)存儲(chǔ)的目的。在頂電極處施加電壓，底電極接地。當(dāng)寫入存儲(chǔ)信息時(shí)，首先施加0.5V電壓，存儲(chǔ)器電阻達(dá)到最低狀態(tài)并保持(約30歐姆)，然后再施加相應(yīng)的電壓即可達(dá)到不同電阻狀態(tài)并存儲(chǔ)信息，如圖4所示。當(dāng)施加-0.4V時(shí)，電阻增大并保持約400歐姆；當(dāng)施加-0.6V時(shí)，電阻越6000歐姆；當(dāng)施加-0.8V時(shí)，電阻約80000歐姆；當(dāng)施加-1.2V時(shí)，電阻約6000000歐姆。這樣通過不同電壓的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)了 4級(jí)以上存儲(chǔ)。當(dāng)讀取存儲(chǔ)信息時(shí)，施加小電壓(如-0.1V)，在不影響存儲(chǔ)器電阻狀態(tài)的情況下，即可讀出對(duì)應(yīng)的電阻值，代表相關(guān)的存儲(chǔ)信息，實(shí)現(xiàn)信息的讀出。
【權(quán)利要求】
1.一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元，包括從下往上依次設(shè)置的基片、底電極、阻變層、頂電極；其特征在于，所述底電極與阻變層之間還設(shè)置有隔離層。
2.按權(quán)利要求1所述一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元，其特征在于，所述隔離層的材料為Ta、Ti或Al，厚度為I?IOnm0
3.按權(quán)利要求1所述一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元，其特征在于，所述多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元為圓形或方形，其直徑或邊長為50納米?500微米。
4.按權(quán)利要求1所述一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元，其特征在于，所述頂電極尺寸小于多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元尺寸，當(dāng)多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元為圓形時(shí)，頂電極直徑為40納米?450微米；當(dāng)多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元為方形時(shí)，頂電極邊長為40納米?450微米。
5.按權(quán)利要求1所述一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元，其特征在于，所述阻變層的材料為NiO, HfO2 或 ZnO,厚度為 30 ?IOOnm0
6.按權(quán)利要求1所述一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元，其特征在于，所述頂電極的材料為Ag或Cu，厚度為50-300nm。
7.按權(quán)利要求1所述一種多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1.在覆蓋Pt或Au的Si基片上采用剝離光刻工藝，經(jīng)過涂膠、預(yù)烘、曝光、后烘、范爆、顯影、烘干工藝，光刻出相應(yīng)尺寸和形狀的阻變存儲(chǔ)器單元圖形； 步驟2.采用真空鍍膜方法，在經(jīng)步驟I光刻出圖形的基片上依次沉積隔離層與阻變層； 步驟3.采用與步驟I相同工藝，在經(jīng)步驟2沉積得阻變層上制備頂電極，即最終制備得多級(jí)阻變存儲(chǔ)器單元。
【文檔編號(hào)】B82Y10/00GK103915565SQ201410133503
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】唐曉莉, 馬國坤, 蘇樺, 鐘智勇, 張懷武, 荊玉蘭 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)