CN101599530A - 一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

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：所述中间层由氧化石墨烯薄膜形成，中间层的厚度范围为1～200nm。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，而是采用氧化石墨烯薄膜，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80倍，所有器件的擦写均不需要电形成过程，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。

Description

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
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
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。
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。
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
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。
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。
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：所述中间层由氧化石墨烯薄膜形成，中间层的厚度范围为1～200nm。
第一电极和第二电极可以为铝或铜或金或银或铂或钛或钨或钽或它们的组合物制成。
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
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、在第一电极表面制备氧化石墨烯薄膜，氧化石墨烯薄膜的厚度为1～200nm；
步骤3、在氧化石墨烯薄膜表面上制备导电薄膜作为第二电极。
所述步骤2中，可以以氧化石墨烯悬浮液为原料，使用提拉法制备氧化石墨烯薄膜，提拉速率为1～3毫米/分钟，优选2毫米/分钟。
所述步骤2中，也可以以氧化石墨烯悬浮液为原料，使用甩胶机甩胶的方法制备氧化石墨烯薄膜，甩胶机的转速为2000～5000转/分钟。
所述氧化石墨烯悬浮液的制备过程如下：在冰浴中先混合0.3～0.7克石墨粉末、0.3～0.7克硝酸钠以及20～30毫升浓度大于等于98％的硫酸，然后缓慢加入2～4克高锰酸钾，混合均匀后，溶液转入30～40℃的水浴中，搅拌0.5～5小时后加入20～60毫升水，搅拌15～60分钟，同时升温至85-95℃，然后加入50～200毫升水，并且缓慢加入2～5毫升质量浓度为20～40％的双氧水，将溶液过滤，然后将过滤所得的滤饼通过机械搅拌分散到水中，采用1000～3000转/分钟的离心率过滤2分钟以后除去可见颗粒，重复3-5次，直到可见颗粒清除干净，随后再经历两次5000～9000转/分钟的离心率进行离心过滤过程，每次10～20分钟，优选15分钟，以除去氧化石墨细片和可溶于水的衍生物，最后将沉淀物通过机械搅拌或超声波振荡的方法分散到水中，形成氧化石墨烯悬浮液，以上是以石墨粉末作为基准确定各个物质的质量或者体积。
所述步骤3中，采用溅射或电子束蒸发的方法在氧化石墨烯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。
最后还可以包括
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。
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，而是采用氧化石墨烯薄膜，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80倍，所有器件的擦写均不需要电形成过程。其高阻态向低阻态转变(置位)的电压小于+1.5V，低阻态向高阻态转变(复位)的电压小于-1V。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。而氧化石墨烯薄膜的厚度最小可达1nm，因此本发明适合制备超高密度存储器件。
附图说明
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；
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；
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；
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
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
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氧化石墨烯薄膜的中间层，中间层厚度为100nm，中间层的表面设置铜制成的第二电极，第二电极厚度为200nm。
上述电阻型随机存储器的存储单元的制备方法为：
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；
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；
步骤3、以氧化石墨烯悬浮液为原料，利用甩胶的方法在第一电极上制备氧化石墨烯薄膜，甩胶机的转速为3000转/分钟，氧化石墨烯薄膜厚度为100nm。氧化石墨烯悬浮液的制备过程如下：在冰浴中先混合0.5克石墨粉末、0.5克硝酸钠以及23毫升浓度为98％的硫酸，然后缓慢加入3克高锰酸钾，混合均匀后，溶液转入30～40℃的水浴中，搅拌1小时后加入40毫升水，搅拌30分钟，同时升温至85～95℃，然后加入100毫升水，并且缓慢加入3毫升质量浓度为30％的双氧水，将溶液过滤，然后将过滤所得的滤饼通过机械搅拌分散到水中，采用1000转/分钟的离心率过滤2分钟以后除去可见颗粒，重复3-5次，直到可见颗粒清除干净，随后再经历两次8000转/分钟的离心率进行离心过滤过程，每次15分钟，以除去氧化石墨细片和可溶于水的衍生物，最后将沉淀物通过机械搅拌或超声波振荡的方法分散到水中，形成氧化石墨烯悬浮液；
步骤4、利用电子束蒸发结合掩膜板的方法在氧化石墨烯薄膜上制作由铜制成的第二电极，第二电极厚度为200nm；
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。
参考图2、图3、图4，利用半导体参数分析测试仪测试了器件的电流-电压特性。在电压连续扫描模式下测试了该器件的电流-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，该器件表现出高阻特性，当电压高于+0.9V(置位电压)时器件突然转变为低阻态，此时需设定一个电流限流值(本例中为10mA)，以免电流过大损坏器件，当电压重新从+0.9V扫描至0V时，器件保持在低阻态，电压从0V开始扫描至-0.7V(重置电压)时器件转变为高阻态，当电压从-0.7V扫描至0V时，器件保持在高阻态。在所有测试过的器件中都不需要电形成过程，意味着对该器件的读写操作可以在很低的电压范围内完成。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，其高低电阻态间的平均差值在25倍以上，高低阻态间的最大差值在80倍以上。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，置位电压小于1.5V，复位电压小于1V。

Claims (8)

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：所述中间层由氧化石墨烯薄膜形成。
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1～200nm。
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、在第一电极表面制备氧化石墨烯薄膜；
步骤3、在氧化石墨烯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2中，以氧化石墨烯悬浮液为原料，使用提拉法制备氧化石墨烯薄膜，提拉速率为1～3毫米/分钟。
5、根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，以氧化石墨烯悬浮液为原料，使用甩胶机甩胶的方法制备氧化石墨烯薄膜，甩胶机的转速为2000～5000转/分钟。
6、根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯悬浮液的制备过程如下：在冰浴中先混合0.3～0.7克石墨粉末、0.3～0.7克硝酸钠以及20～30毫升浓度大于等于98％的硫酸，然后缓慢加入2～4克高锰酸钾，混合均匀后，溶液转入30～40℃的水浴中，搅拌0.5～5小时后加入20～60毫升水，搅拌15～60分钟，同时升温至85-95℃，然后加入50～200毫升水，并且缓慢加入2～5毫升质量浓度为20～40％的双氧水，将溶液过滤，然后将过滤所得的滤饼通过机械搅拌分散到水中，采用1000～3000转/分钟的离心率过滤2分钟以后除去可见颗粒，重复3-5次，直到可见颗粒清除干净，随后再经历两次5000～9000转/分钟的离心率进行离心过滤过程，每次10～20分钟，以除去氧化石墨细片和可溶于水的衍生物，最后将沉淀物通过机械搅拌或超声波振荡的方法分散到水中，形成氧化石墨烯悬浮液。
7、根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述第二电极采用溅射或电子束蒸发的方法制备，第二电极采用掩膜板或光刻的方法成型。
8、根据权利要求4～7中任意一项权利要求所述的制备方法，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。
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