專利名稱：一種電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非揮發(fā)性存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元 及其制備方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前數(shù)字高科技的飛速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有信息存儲(chǔ)產(chǎn)品的性能提出了更高的要求，例如 高速度、高密度、長(zhǎng)壽命、低成本和低功耗等，同時(shí)也揭示了現(xiàn)有隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)的缺陷。 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和靜態(tài)存儲(chǔ)器的弱點(diǎn)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(shù)障礙。因此，迫切需要在存儲(chǔ)材 料和技術(shù)方面取得突破，以開(kāi)發(fā)新一代的存儲(chǔ)器技術(shù)。
2000年美國(guó)休斯頓大學(xué)在金屬/鈣鈦礦錳氧化物PrCaMnO/金屬這種三明治結(jié)構(gòu)中 發(fā)現(xiàn)，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(lái)回快速切換。隨后， 人們發(fā)現(xiàn)在NiO、 CuO、 Zr02、 Ti02等多種二元過(guò)渡族金屬氧化物中也存在類似的電致 電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)?；谠撾娮柁D(zhuǎn)變效應(yīng)，人們提出了一種新型非易失性存儲(chǔ)器概念一電阻 型隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)。電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元， 一般包括絕緣襯底，絕緣襯底 表面設(shè)置第一電極，第一電極表面上設(shè)置具有電阻轉(zhuǎn)變特性材料制成的中間層，中間層 的表面設(shè)置第二電極，和其它存儲(chǔ)器相比，電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)具有制備簡(jiǎn)單、 擦寫速度快、存儲(chǔ)密度高、與半導(dǎo)體工藝兼容性好等主要優(yōu)勢(shì)。
目前，絕大部分關(guān)于電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)中間層的研究都局限于氧化物材料。 對(duì)于其它具有電阻轉(zhuǎn)變特性材料作為中間層的電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)的研究目前還 較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種不采用氧化物材 料作為電極中間層的電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元。
本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種不采用氧化物材料作為電極中間層 的電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元的制備方法。
本發(fā)明解決上述第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ) 單元，包括絕緣襯底，絕緣襯底表面設(shè)置第一電極，第一電極表面上設(shè)置具有電阻轉(zhuǎn)變 特性材料制成的中間層，中間層的表面設(shè)置第二電極，其特征在于所述中間層由類金剛石碳薄膜形成。
第一電極和第二電極可以采用鋁或銅或金或銀或鉑或鈦或鎢或鉭或它們的組合物 制成。
上述中間層可以由本征類金剛石碳薄膜制成，也可以為摻雜有鉻的類金剛石碳薄 膜，其中鉻在類金剛石碳薄膜中的原子百分含量為0~20%。 上述中間層的厚度范圍為10nm 200nm。
本發(fā)明解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ) 單元的制備方法，其特征在于包括以下步驟
步驟l、在絕緣襯底表面形成導(dǎo)電薄膜作為第一電極；
步驟2、在第一電極表面制備類金剛石碳薄膜；
步驟3、在類金剛石碳薄膜表面上制備導(dǎo)電薄膜作為第二電極。
所述步驟2中，可以采用離子束沉積裝置在第一電極表面制備類金剛石碳薄膜，離 子束沉積裝置的工作條件為采用乙炔為工作氣源，離子源沉積裝置的工作功率設(shè)置為
200 224W;將類金剛石碳薄膜厚度制為10nm 200nm。
所述步驟2中，也可以采用離子束復(fù)合磁控濺射的氣相沉積方法在第一電極表面制
備摻雜鉻的類金剛石碳薄膜，離子束復(fù)合磁控濺射沉積方法的工作條件為濺射靶材為
高純鉻(至少99.999%),采用乙炔和氬氣作為工作氣源，乙炔和氬氣的分壓比為3: 5~1: 1，離子源功率為200 224W，濺射源功率為卯0 1000W。
所述步驟3中，采用濺射或電子束蒸發(fā)的方法在類金剛石碳薄膜表面制備第二電極， 第二電極采用掩膜板或光刻的方法成型。
最后還可以包括
步驟4、采用反應(yīng)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(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)上制備出隔離的器件結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元兩個(gè)電極之間 的中間層不采用氧化物材料，而是采用類金剛石碳薄膜，這種結(jié)構(gòu)的電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器 在直流電壓連續(xù)掃描激勵(lì)下表現(xiàn)出優(yōu)異的高低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)變和記憶特性，其高低電阻 態(tài)間的差值可大于102倍，在連續(xù)IOO次高低阻態(tài)循環(huán)的過(guò)程中，高低阻態(tài)的電阻值表 現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性；其高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變(置位)的電壓小于+1 V，低阻態(tài)向高阻態(tài) 轉(zhuǎn)變(復(fù)位)的電壓小于-2V，在100次高低阻態(tài)循環(huán)的過(guò)程中，置位電壓和復(fù)位電壓 表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性；這些特性表明本發(fā)明在非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià) 值。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例中電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的雙極性I-V特性測(cè)試結(jié)果；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元在0.1 V讀取電壓下的電阻值隨
擦寫周期的變化關(guān)系；
圖4本發(fā)明實(shí)施例中電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元在置位電壓和復(fù)位電壓隨擦寫周 期的變化關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
如圖l所示的電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元，包括絕緣襯底，絕緣襯底由單晶硅和 生長(zhǎng)在單晶硅表面的二氧化硅隔離介質(zhì)層組成，二氧化硅隔離介質(zhì)層上設(shè)置第一電極， 第一電極由200nm厚鉑和50 nm厚的鈦組成；第一電極表面上設(shè)置摻雜鉻的類金剛石 碳薄膜的中間層，鉻在類金剛石碳薄膜中的原子百分含量為1.3%，中間層厚度為130 nm，中間層的表面設(shè)置銅制成的第二電極，第二電極厚度為200nm。
上述電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元的制備方法為
步驟1、利用熱氧化的方法將二氧化硅隔離介質(zhì)層生長(zhǎng)在單晶硅上制成絕緣襯底； 步驟2、利用濺射法在絕緣襯底表面制備200 nm厚鉑和50 nm厚的鈦?zhàn)鳛榈谝浑?br> 極；
步驟3、采用離子束復(fù)合磁控濺射的氣相沉積的方法在第一電極表面制備摻雜鉻的 類金剛石碳薄膜，離子束復(fù)合磁控濺射沉積方法的工作條件為采用乙炔和氬氣為工作 氣體，乙炔和氬氣的分壓比為33:47，離子源功率設(shè)置為224W，濺射使用鉻作為靶材， 濺射源功率為900W;將摻雜鉻的類金剛石碳薄膜的厚度制為130 nm;
步驟4、利用電子束蒸發(fā)結(jié)合掩膜板的方法在類金剛石碳薄膜上制作由銅制成的第 二電極，第二電極厚度為200nm。
步驟5、采用反應(yīng)離子刻蝕或電感耦合等離子體刻蝕的方法在步驟4己獲得的結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)上制備出隔離的器件結(jié)構(gòu)。
參考圖2、圖3、圖4，利用半導(dǎo)體參數(shù)分析測(cè)試儀測(cè)試了上述方法制得的電阻型隨
機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元電流-電壓特性。在電壓連續(xù)掃描模式下測(cè)試了該電阻型隨機(jī)存儲(chǔ) 器的存儲(chǔ)單元的電流-電壓特性。掃描偏壓加在第二電極和第一電極上。電流-電壓特性 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。電壓初次從OV開(kāi)始掃描時(shí)，該電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元表現(xiàn)出高阻特性，當(dāng)電壓高于+13.2 V時(shí)電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元突然轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，這 是一個(gè)電形成過(guò)程，此時(shí)需設(shè)定一個(gè)電流限流值(本例中為50mA)，以免電流過(guò)大損 壞電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元，當(dāng)電壓重新從+13.2 V掃描至O V時(shí)，電阻型隨機(jī)存 儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元保持在低阻態(tài)，電壓從O V開(kāi)始掃描至-1.7 V (重置電壓)時(shí)電阻型隨 機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)，當(dāng)電壓從-1.7V掃描至0V時(shí)，電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器 的存儲(chǔ)單元保持在高阻態(tài)。在下一次循環(huán)中，當(dāng)電壓從0V掃描至+0.9V (置位電壓) 時(shí)電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，當(dāng)電壓重新從+0.9V掃描至0V時(shí)，電 阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元保持在低阻態(tài)，電壓從0V開(kāi)始掃描至-1.6V (重置電壓) 時(shí)電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)，當(dāng)電壓從-1.6V掃描至0V時(shí)，電阻型 隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元保持在高阻態(tài)。電形成過(guò)程之后，該高低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程可以重 復(fù)進(jìn)行，圖3顯示了連續(xù)100次高低阻態(tài)循環(huán)的過(guò)程，其高低電阻態(tài)間的差值在50倍 以上，低阻態(tài)的阻值范圍為37Q 40Q，高阻態(tài)的阻值范圍為3000 Q 6000 Q，表現(xiàn) 出較好的穩(wěn)定性。圖4顯示了連續(xù)100次高低阻態(tài)循環(huán)的過(guò)程中，置位電壓和重置電壓 的變化情況，置位電壓的范圍為+0.7V +l V，復(fù)位電壓的范圍為-L6V -1.8V，表現(xiàn) 出很好的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1、一種電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元，包括絕緣襯底，絕緣襯底表面設(shè)置第一電極，第一電極表面上設(shè)置具有電阻轉(zhuǎn)變特性材料制成的中間層，中間層的表面設(shè)置第二電極，其特征在于所述中間層由類金剛石碳薄膜形成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元，其特征在于所述中間 層的類金剛石碳薄膜可以為本征類金剛石碳薄膜，也可以為摻雜有鉻的類金剛石碳薄 膜，并且鉻在類金剛石碳薄膜中的原子百分含量為0 20%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元，其特征在于所述 中間層的厚度范圍為10nm 200nm。
4、 一種電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元的制備方法，其特征在于包括以下步驟 步驟l、在絕緣襯底表面形成導(dǎo)電薄膜作為第一電極；步驟2、在第一電極表面制備類金剛石碳薄膜；步驟3、在類金剛石碳薄膜表面上制備導(dǎo)電薄膜作為第二電極。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述步驟2中，采用離子束沉 積的方法在第一電極表面制備本征類金剛石碳薄膜，離子束沉積方法的工作條件為采 用乙炔為工作氣體，離子源功率設(shè)置為200 224 W;將本征類金剛石碳薄膜厚度制為 10nm 200nm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述步驟2中，采用離子束復(fù) 合磁控濺射的氣相沉積方法在第一電極表面制備摻雜鉻的類金剛石碳薄膜，離子束復(fù)合 磁控濺射沉積方法的工作條件為濺射靶材為高純鉻(至少99.999%)，采用乙炔和氬 氣作為工作氣源，乙炔和氬氣的分壓比為3: 5~1: 1，離子源功率為200 224W，濺射 源功率為900~1000 W;將慘雜鉻的類金剛石碳薄膜的厚度制為10 nm ~ 200 nm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述步驟3中，采用濺射或電 子束蒸發(fā)的方法在類金剛石碳薄膜表面制備第二電極，第二電極采用掩膜板或光刻的方 法成型。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4 7中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的制備方法，其特征在于還包括 步驟4、采用反應(yīng)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上制備出隔離的器件結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元及其制備方法，該存儲(chǔ)單元包括絕緣襯底，絕緣襯底表面設(shè)置第一電極，第一電極表面上設(shè)置具有電阻轉(zhuǎn)變特性材料制成的中間層，中間層的表面設(shè)置第二電極，其特征在于所述中間層由類金剛石碳薄膜形成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于中間層不采用氧化物材料，而是采用類金剛石碳薄膜，這種結(jié)構(gòu)的電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器在直流電壓連續(xù)掃描激勵(lì)下表現(xiàn)出優(yōu)異的高低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)變和記憶特性，其高低電阻態(tài)間的差值可大于10²倍，在連續(xù)100次高低阻態(tài)循環(huán)的過(guò)程中，高低阻態(tài)的電阻值表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性；置位電壓和復(fù)位電壓表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性；這些特性表明本發(fā)明在非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C23C14/46GK101599531SQ20091010014
公開(kāi)日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日
發(fā)明者偉 代, 何聰麗, 李潤(rùn)偉, 汪愛(ài)英, 諸葛飛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所