一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法

摘要

本发明涉及一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法，该存储单元包括绝缘衬底，绝缘衬底表面设置第一电极，第一电极表面上设置具有电阻转变特性材料制成的中间层，中间层的表面设置第二电极，其特征在于：所述中间层由类金刚石碳薄膜形成。与现有技术相比，本发明的优点在于：中间层不采用氧化物材料，而是采用类金刚石碳薄膜，这种结构的电阻型随机存储器在直流电压连续扫描激励下表现出优异的高低阻态之间的转变和记忆特性，其高低电阻态间的差值可大于102倍，在连续100次高低阻态循环的过程中，高低阻态的电阻值表现出较好的稳定性；置位电压和复位电压表现出很好的稳定性；这些特性表明本发明在非挥发性存储器件领域具有潜在的应用价值。

权利要求

1.一种电阻型随机存储器的存储单元，包括绝缘衬底，绝缘衬底表面设置第一电极，第一电极表面上设置具有电阻转变特性材料制成的中间层，中间层的表面设置第二电极，其特征在于：所述中间层由本征类金刚石碳薄膜或者掺杂有铬的类金刚石碳薄膜形成；当所述中间层由掺杂有铬的类金刚石碳薄膜形成时，铬在类金刚石碳薄膜中的原子百分含量为

0～1.3％。

2.根据权利要求1所述的电阻型随机存储器的存储单元，其特征在于：所述中间层的厚度范围为10nm～200nm。

3.一种电阻型随机存储器的存储单元的制备方法，其特征在于：包括以下步骤步骤1、在绝缘衬底表面形成导电薄膜作为第一电极；

步骤2、采用离子束沉积的方法在第一电极表面制备本征类金刚石碳薄膜，离子束沉积方法的工作条件为：采用乙炔为工作气体，离子源功率设置为200～224W；将本征类金刚石碳薄膜厚度制为10nm～200nm；

步骤3、在类金刚石碳薄膜表面上制备导电薄膜作为第二电极。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，采用溅射或电子束蒸发的方法在类金刚石碳薄膜表面制备第二电极，第二电极采用掩膜板或光刻的方法成型。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于：还包括

步骤4、采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法在步骤3已获得的结构基础上制备出隔离的器件结构。

6.一种电阻型随机存储器的存储单元的制备方法，其特征在于：包括以下步骤步骤1、在绝缘衬底表面形成导电薄膜作为第一电极；

步骤2、采用离子束复合磁控溅射的气相沉积方法在第一电极表面制备掺杂铬的类金刚石碳薄膜，离子束复合磁控溅射沉积方法的工作条件为：溅射靶材为纯度至少为

99.999％的铬，采用乙炔和氩气作为工作气源，乙炔和氩气的分压比为3∶5～1∶1，离子源功率为200～224W，溅射源功率为900～1000W；将掺杂铬的类金刚石碳薄膜的厚度制为

10nm～200nm；

步骤3、在类金刚石碳薄膜表面上制备导电薄膜作为第二电极。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，采用溅射或电子束蒸发的方法在类金刚石碳薄膜表面制备第二电极，第二电极采用掩膜板或光刻的方法成型。

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：还包括

步骤4、采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法在步骤3已获得的结构基础上制备出隔离的器件结构。

说明书

一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及非挥发性存储器技术领域，尤其涉及一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法。

背景技术

[0002] 当前数字高科技的飞速发展，对现有信息存储产品的性能提出了更高的要求，例如：高速度、高密度、长寿命、低成本和低功耗等，同时也揭示了现有随机存储技术的缺陷。动态存储器和静态存储器的弱点之一是其易失性：断电情况下信息丢失，并且易受电磁辐射干扰。闪存则存在读写速度慢、记录密度低等技术障碍。因此，迫切需要在存储材料和技术方面取得突破，以开发新一代的存储器技术。

[0003] 2000年美国休斯顿大学在金属/钙钛矿锰氧化物PrCaMnO/金属这种三明治结构中发现，在两金属电极间施加电脉冲可以使体系电阻在高低阻值上来回快速切换。随后，人们发现在NiO、CuO、ZrO2、TiO2等多种二元过渡族金属氧化物中也存在类似的电致电阻转变效应。基于该电阻转变效应，人们提出了一种新型非易失性存储器概念-电阻型随机存储器(RRAM)。电阻型随机存储器的存储单元，一般包括绝缘衬底，绝缘衬底表面设置第一电极，第一电极表面上设置具有电阻转变特性材料制成的中间层，中间层的表面设置第二电极，和其它存储器相比，电阻型随机存储器(RRAM)具有制备简单、擦写速度快、存储密度高、与半导体工艺兼容性好等主要优势。

[0004] 目前，绝大部分关于电阻型随机存储器(RRAM)中间层的研究都局限于氧化物材料。对于其它具有电阻转变特性材料作为中间层的电阻型随机存储器(RRAM)的研究目前还较少。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种不采用氧化物材料作为电极中间层的电阻型随机存储器的存储单元。

[0006] 本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种不采用氧化物材料作为电极中间层的电阻型随机存储器的存储单元的制备方法。

[0007] 本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：该电阻型随机存储器的存储单元，包括绝缘衬底，绝缘衬底表面设置第一电极，第一电极表面上设置具有电阻转变特性材料制成的中间层，中间层的表面设置第二电极，其特征在于：所述中间层由类金刚石碳薄膜形成。

[0008] 第一电极和第二电极可以采用铝或铜或金或银或铂或钛或钨或钽或它们的组合物制成。

[0009] 上述中间层可以由本征类金刚石碳薄膜制成，也可以为掺杂有铬的类金刚石碳薄膜，其中铬在类金刚石碳薄膜中的原子百分含量为0～20％。

[0010] 上述中间层的厚度范围为10nm～200nm。

[0011] 本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：该电阻型随机存储器的存储单元的制备方法，其特征在于：包括以下步骤

[0012] 步骤1、在绝缘衬底表面形成导电薄膜作为第一电极；

[0013] 步骤2、在第一电极表面制备类金刚石碳薄膜；

[0014] 步骤3、在类金刚石碳薄膜表面上制备导电薄膜作为第二电极。

[0015] 所述步骤2中，可以采用离子束沉积装置在第一电极表面制备类金刚石碳薄膜，离子束沉积装置的工作条件为：采用乙炔为工作气源，离子源沉积装置的工作功率设置为200～224W；将类金刚石碳薄膜厚度制为10nm～200nm。

[0016] 所述步骤2中，也可以采用离子束复合磁控溅射的气相沉积方法在第一电极表面制备掺杂铬的类金刚石碳薄膜，离子束复合磁控溅射沉积方法的工作条件为：溅射靶材为高纯铬(至少99.999％)，采用乙炔和氩气作为工作气源，乙炔和氩气的分压比为3∶5～1∶1，离子源功率为200～224W，溅射源功率为900～1000W。

[0017] 所述步骤3中，采用溅射或电子束蒸发的方法在类金刚石碳薄膜表面制备第二电极，第二电极采用掩膜板或光刻的方法成型。

[0018] 最后还可以包括

[0019] 步骤4、采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法在步骤3已获得的结构基础上制备出隔离的器件结构。

[0020] 与现有技术相比，本发明的优点在于：电阻型随机存储器的存储单元两个电极之间的中间层不采用氧化物材料，而是采用类金刚石碳薄膜，这种结构的电阻型随机存储器在直流电压连续扫描激励下表现出优异的高低阻态之间的转变和记忆特性，其高低电阻态2
间的差值可大于10 倍，在连续100次高低阻态循环的过程中，高低阻态的电阻值表现出较好的稳定性；其高阻态向低阻态转变(置位)的电压小于+1V，低阻态向高阻态转变(复位)的电压小于-2V，在100次高低阻态循环的过程中，置位电压和复位电压表现出很好的稳定性；这些特性表明本发明在非挥发性存储器件领域具有潜在的应用价值。

附图说明

[0021] 图1为本发明实施例中电阻型随机存储器的存储单元的结构示意图；

[0022] 图2为本发明实施例中电阻型随机存储器存储单元的双极性I-V特性测试结果；

[0023] 图3为本发明实施例中电阻型随机存储器存储单元在0.1V读取电压下的电阻值随擦写周期的变化关系；

[0024] 图4本发明实施例中电阻型随机存储器存储单元在置位电压和复位电压随擦写周期的变化关系。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

[0026] 如图1所示的电阻型随机存储器的存储单元，包括绝缘衬底，绝缘衬底由单晶硅和生长在单晶硅表面的二氧化硅隔离介质层组成，二氧化硅隔离介质层上设置第一电极，第一电极由200nm厚铂和50nm厚的钛组成；第一电极表面上设置掺杂铬的类金刚石碳薄膜的中间层，铬在类金刚石碳薄膜中的原子百分含量为1.3％，中间层厚度为130nm，中间层的表面设置铜制成的第二电极，第二电极厚度为200nm。

[0027] 上述电阻型随机存储器的存储单元的制备方法为：

[0028] 步骤1、利用热氧化的方法将二氧化硅隔离介质层生长在单晶硅上制成绝缘衬底；

[0029] 步骤2、利用溅射法在绝缘衬底表面制备200nm厚铂和50nm厚的钛作为第一电极；

[0030] 步骤3、采用离子束复合磁控溅射的气相沉积的方法在第一电极表面制备掺杂铬的类金刚石碳薄膜，离子束复合磁控溅射沉积方法的工作条件为：采用乙炔和氩气为工作气体，乙炔和氩气的分压比为33∶47，离子源功率设置为224W，溅射使用铬作为靶材，溅射源功率为900W；将掺杂铬的类金刚石碳薄膜的厚度制为130nm；

[0031] 步骤4、利用电子束蒸发结合掩膜板的方法在类金刚石碳薄膜上制作由铜制成的第二电极，第二电极厚度为200nm。

[0032] 步骤5、采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法在步骤4已获得的结构基础上制备出隔离的器件结构。

[0033] 参考图2、图3、图4，利用半导体参数分析测试仪测试了上述方法制得的电阻型随机存储器的存储单元电流-电压特性。在电压连续扫描模式下测试了该电阻型随机存储器的存储单元的电流-电压特性。扫描偏压加在第二电极和第一电极上。电流-电压特性测试结果见图2。电压初次从0V开始扫描时，该电阻型随机存储器的存储单元表现出高阻特性，当电压高于+13.2V时电阻型随机存储器的存储单元突然转变为低阻态，这是一个电形成过程，此时需设定一个电流限流值(本例中为50mA)，以免电流过大损坏电阻型随机存储器的存储单元，当电压重新从+13.2V扫描至0V时，电阻型随机存储器的存储单元保持在低阻态，电压从0V开始扫描至-1.7V(重置电压)时电阻型随机存储器的存储单元转变为高阻态，当电压从-1.7V扫描至0V时，电阻型随机存储器的存储单元保持在高阻态。在下一次循环中，当电压从0V扫描至+0.9V(置位电压)时电阻型随机存储器的存储单元转变为低阻态，当电压重新从+0.9V扫描至0V时，电阻型随机存储器的存储单元保持在低阻态，电压从0V开始扫描至-1.6V(重置电压)时电阻型随机存储器的存储单元转变为高阻态，当电压从-1.6V扫描至0V时，电阻型随机存储器的存储单元保持在高阻态。电形成过程之后，该高低阻态的转变过程可以重复进行，图3显示了连续100次高低阻态循环的过程，其高低电阻态间的差值在50倍以上，低阻态的阻值范围为37Ω～40Ω，高阻态的阻值范围为3000Ω～6000Ω，表现出较好的稳定性。图4显示了连续100次高低阻态循环的过程中，置位电压和重置电压的变化情况，置位电压的范围为+0.7V～+1V，复位电压的范围为-1.6V～-1.8V，表现出很好的稳定性。