CN101894908A - 一种阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阻变存储器及其制备方法，属于信息技术存储领域。所述阻变存储器，包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的阻变材料层，所述上电极和下电极为金属电极或金属化合物电极，所述阻变材料层由经过抛光处理的导电衬底及其上的TiO2薄膜组成，所述导电衬底为1％-7％Nb掺杂的SrTiO3单晶。本发明阻变存储器具有较为稳定的具有实用价值的中间阻态，实现了多级存储，从而提高了阻变存储器的存储能力；并且本发明克服了现有阻变材料层阻变参数随机性大的问题，提高了阻变材料层的的阻变性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种非易失性存储器及其制备方法，尤其涉及一种阻变存储器及其制备方法，属于信息存储技术领域。
背景技术
二十一世纪是信息化的时代，信息的快速增长促使MP3、MP4、便携式电脑等电子器件持续微型化发展，对存储技术提出了更高的要求。目前，出于对信息安全和降低功耗的考虑，非易失性存储器的研究和开发已成为半导体行业中最为关注的课题之一。目前市场上的非易失性存储器仍以闪存(Flash)为主流，随着器件尺寸的不断缩小，Flash存储器件存在写入速度慢，功耗大，持续性不够好等缺点，使得存储器件进一步小型化遇到了难以克服的瓶颈。因此，急需开发一种全新的信息存储技术来解决上述问题。
目前已研制出的非易失性存储器包括：铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)及阻变存储器(RRAM)。在这些存储器中，阻变存储器因具有简单的器件结构、较高的存储密度、较快的响应速度、较低的功耗、与传统CMOS工艺相兼容等优势而倍受关注。
RRAM器件作为一种新型的非易失性存储器，其是利用阻变材料层在不同的外加电压的作用下的电阻值在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间实现可逆转换，以此来实现信息存储的功能。具有电阻转变效应的材料种类繁多，其中二元金属氧化物由于具有结构简单，制作成本低，以及与现有CMOS工艺兼容得优点倍受关注。
阻变存储器的导电机理主要是缺陷导电。阻变材料中都存在一定量的缺陷(如氧空位、金属原子或离子)，高阻态和低阻态的转换主要是由于缺陷或载流子的重新分布。该重新分布一种是来源于由缺陷形成的导电沟道的形成和断裂，对双极和单极阻变都适用；一种来源于缺陷在界面处的聚集和分散，主要适用于双极阻变；还有一种是来源于载流子的俘获和释放。现有阻变存储器的缺点是阻变参数分布较宽，如写入电压、擦除电压以及高低阻态的阻值都有很大的随机性。即使是同一个器件，要求的写入脉冲和擦除脉冲都可能具有比较大的分散性和随机性，如一定电压脉冲在这次可以写入，在下一次就不一定可以写入。阻变参数的这种随机性，使得对于阻变存储器的精确控制十分困难，极大限制了阻变存储器的大规模应用。
另外，目前大部分的阻变存储器都是基于双级存储，其存储密度有限，阻碍了存储器的集成能力，利用多级阻变现象可以提高阻变存储器的存储能力，实现多级存储。所谓多级阻变现象是指在通常的高低阻态之间还存在有一系列的可区分的中间状态。如果能够得到这些稳定的中间阻态，则可以提高阻变存储器的存储能力。
因此需要解决的技术问题是提供一种具有更高存储能力、阻变参数稳定的多级阻变存储器。
发明内容
本发明需要解决的第一技术问题是提供一种具有更高存储能力的阻变存储器，尤其是一种具有更高存储能力的、稳定的、多级阻态的阻变存储器。
本发明需要解决的第二技术问题是提供一种阻变存储器的制备方法，使得通过该方法制得具有更高存储能力的、稳定的、多级阻态的阻变存储器。
为解决第一技术问题，本发明采用的第一技术方案为：
一种阻变存储器，包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的阻变材料层，所述上电极和下电极为金属电极或金属化合物电极，所述阻变材料层由经过抛光处理的导电衬底及其上的TiO2薄膜组成，所述导电衬底为1％-7％Nb掺杂的SrTiO3单晶。采用该导电衬底是因为其具有比较好的导电性，同时与锐钛矿相的TiO2具有较少的晶格失配，可以在其上生长出TiO2单晶薄膜；并且掺杂Nb的SrTiO3单晶导电衬底，其在生产过程中经过高温处理，所以具有较高浓度的氧空位，导电衬底中的部分氧空位会在TiO2薄膜生长过程中扩散至TiO2薄膜当中，提高TiO2薄膜中的氧空位浓度，从而提高阻变材料层的阻变性能。
所述TiO2薄膜是厚度为50-300nm的单晶薄膜，单晶薄膜可以保证在器件尺寸非常微小时，其性能稳定。
对于上电极和下电极材料，基于阻变存储器的原理，选用具有较大功函数的惰性金属Pt、Au、Ag或金属化合物TiN、ITO作为上电极和下电极，有利于提高阻变材料层的阻变性能，避免上电极和下电极的氧化以及其与阻变材料层之间的化学反应；所述上电极和下电极厚度为20-300nm；所述上电极和下电极的长度为20-500μm。
为解决第二技术问题，本发明采用的第二技术方案为：
一种阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：清洗经过抛光处理的导电衬底，并烘干；
步骤二：在导电衬底抛光面上外延生长TiO2薄膜，与导电衬底一起组成阻变材料层；
步骤三：分别在阻变材料层的上表面和下表面溅射沉积一层金属或金属化合物，作为上电极和下电极。
所述步骤二中，采用氧等离子体辅助分子束外延法沉积TiO2薄膜，为真空沉积。
所述步骤二中，TiO2薄膜生长条件为：Ti源温度1650-1700℃，射频功率为200-300W，导电衬底温度为250-600℃。
所述步骤三中，溅射沉积上电极和下电极的速度为1-10nm/分钟，为真空条件下生长，选择较低的生长速度，是为了避免对薄膜造成损伤。
所述步骤三中，上电极、下电极利用掩模板成型。
与现有技术相比，本发明第一技术方案的有益效果是：由于采用掺杂Nb的SrTiO3单晶作为导电衬底与TiO2单晶薄膜组合形成阻变材料层，从而使得本技术方案的阻变存储器具有较为稳定的具有实用价值的中间阻态，实现了多级存储，从而提高了阻变存储器的存储能力，并且本发明克服了现有阻变材料层阻变参数随机性大的问题，提高了阻变材料层的的阻变性能。
与现有技术相比，本发明第二技术方案的有益效果是：采用该制备方法制得的阻变存储器，具有较为稳定的具有实用价值的中间阻态，实现了多级存储，从而提高了阻变存储器的存储能力，并且本发明克服了现有阻变材料层阻变参数随机性大的问题，提高了阻变材料层的的阻变性能。
附图说明
图1为本发明阻变存储器的结构示意图以及电压正方向的定义。
图2为本发明实施例一，以Pt为上电极和下电极的阻变存储器在不同正向扫描区域下的电流-电压曲线。
图3为本发明实施例一，以Pt为上电极和下电极的阻变存储器在不同擦除电压作用下的不同的电阻态。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释该发明，并非用于限定本发明的范围。
实施方式一
一种阻变存储器，包括上电极3、下电极4以及位于所述上电极3和下电极4之间的阻变材料层，所述上电极3和下电极4为金属电极或金属化合物电极，所述阻变材料层由经过抛光处理的导电衬底1及其上的TiO2薄膜2组成，所述导电衬底1为7％Nb掺杂的SrTiO3单晶，所述TiO2薄膜2为厚度是100nm的单晶薄膜，所述上电极3和下电极4为Pt，形状为圆形，直径为300μm，厚度为200nm。
本实施方式阻变存储器的具体制备步骤为：
步骤一：将7％Nb掺杂的SrTiO3单晶导电衬底1利用丙酮，酒精和去离子水清洗，然后烘干；
步骤二：利用氧等离子体辅助分子束外延法外延生长一层TiO2薄膜2，生长条件是：Ti源温度1690℃，射频功率250W，导电衬底1温度300℃，生长室的真空度2.1x10-5mbar；
步骤三：在阻变材料层的上表面下表面利用掩膜板分别溅射沉积Pt薄膜以作为上电极3和下电极4，溅射速度为10nm/分钟。
通过上述步骤制得的多级阻变存储器的结构如图1所示。
本发明实施例制得的多级阻变存储器在不同正向扫描区域下的电流-电压曲线如图2所示，正向扫描范围为1-5V，扫描方向为0V-正的最大电压-0V负的最大电压-0V，如箭头所示。
由图2可知，当正向扫描的范围超过2V时，反向扫描时就会出现非常明显的回线。回线的存在证明了阻变现象的存在。同时，每次反向扫描都可以使器件回到原始状态。特别是回扫过程，即从负的最大值向正方向扫描的时候，曲线基本重合。所以，正向扫描会使器件处于低阻态，而反向扫描会使器件处于高阻态，即发生高阻和低阻之间的转变。
本发明实施例制得的阻变存储器在不同擦除电压作用下的不同的电阻态如图3所示，测试方法为写入-读取-擦除-读取，循环150次。其中，写入电压为5V，读取电压为-0.5V，擦除电压分别为-5V，-4.3V，-3.5V，脉冲宽度为1ms。
由图3可知，不同的写入电压导致不同的低阻态，不同的擦除电压导致不同的高阻态。除了通常意义下的低阻态和高阻态，它们之间有一系列的中间状态。这一系列的中间状态可以作为多级存储。5V的脉冲使器件处于低阻态，-5V的脉冲使器件处于通常意义上的高阻态。先用5V的电压脉冲使器件处于低阻态，然后使用不同的擦除电压脉冲便可以使器件处于中间状态。所述脉冲的宽度为1ms。在循环读写测试中，没有发现器件有明显的性能退化，并且可以在不同的阻态之间自由的转换，阻变参数未发生明显变化，阻变性能稳定。
实施方式二
本实施例与上述实施例一制得的产品类似，区别仅在于：导电衬底1为1％Nb掺杂的SrTiO3单晶；TiO2薄膜2厚度为50nm；上电极3和下电极4为ITO，厚度为300nm，上电极3和下电极4溅射速度为5nm/分钟；TiO2薄膜2生长条件为：Ti源温度1700℃，功率为300W。
一种阻变存储器，包括上电极3、下电极4以及位于所述上电极3和下电极4之间的阻变材料层，所述上电极3和下电极4为金属电极或金属化合物电极，所述阻变材料层由经过抛光处理的导电衬底1及其上的TiO2薄膜2组成，所述导电衬底1为1％Nb掺杂的SrTiO3单晶，所述TiO2薄膜2为厚度是50nm的单晶薄膜，所述上电极3和下电极4为ITO，形状为圆形，直径为300μm，厚度为300nm。
本实施方式阻变存储器的具体制备步骤为：
步骤一：将1％Nb掺杂的SrTiO3单晶导电衬底1利用丙酮，酒精和去离子水清洗，然后烘干；
步骤二：利用氧等离子体辅助分子束外延法外延生长一层TiO2薄膜2，生长条件是：Ti源温度1700℃，射频功率300W，导电衬底1温度300℃，生长室的真空度2.1x10-5mbar；
步骤三：在阻变材料层的上表面下表面利用掩膜板分别溅射沉积ITO薄膜以作为上电极3和下电极4，溅射速度为5nm/分钟。
实施方式三
本实施例与上述实施例一制得的产品类似，区别仅在于：导电衬底1为5％Nb掺杂的SrTiO3单晶；TiO2薄膜2厚度为300nm；上电极3和下电极4为正方形，正方形边长为500μm；TiO2薄膜2生长条件为：Ti源温度1650℃，导电衬底1温度为250℃；上电极3和下电极4的溅射速度为3nm/分钟。
一种阻变存储器，包括上电极3、下电极4以及位于所述上电极3和下电极4之间的阻变材料层，所述上电极3和下电极4为金属电极或金属化合物电极，所述阻变材料层由经过抛光处理的导电衬底1及其上的TiO2薄膜2组成，所述导电衬底1为5％Nb掺杂的SrTiO3单晶，所述TiO2薄膜2为厚度是300nm的单晶薄膜，所述上电极3和下电极4为Pt，形状为正方形，正方形边长为500μm，厚度为200nm。
本实施方式阻变存储器的具体制备步骤为：
步骤一：将5％Nb掺杂的SrTiO3单晶导电衬底1利用丙酮，酒精和去离子水清洗，然后烘干；
步骤二：利用氧等离子体辅助分子束外延法外延生长一层TiO2薄膜2，生长条件是：Ti源温度1650℃，射频功率250W，导电衬底1温度250℃，生长室的真空度2.1x10-5mbar；
步骤三：在阻变材料层的上表面下表面利用掩膜板分别溅射沉积Pt薄膜以作为上电极3和下电极4，溅射速度为3nm/分钟。
以上所述为较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种阻变存储器，包括上电极、下电极以及位于所述上电极和下电极之间的阻变材料层，所述上电极和下电极为金属电极或金属化合物电极，其特征在于，所述阻变材料层由经过抛光处理的导电衬底及其上的TiO2薄膜组成，所述导电衬底为1％-7％Nb掺杂的SrTiO3单晶。
2.根据权利要求1所述的阻变存储器，其特征在于，所述TiO2薄膜是厚度为50-300nm的单晶薄膜。
3.根据权利要求2所述的阻变存储器，其特征在于，所述金属电极为Pt、Au、Ag，所述金属化合物电极为TiN、ITO；所述上电极和下电极厚度为20-300nm；所述上电极和下电极的长度为20-500μm。
4.一种阻变存储器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：清洗经过抛光处理的导电衬底，并烘干；
步骤二：在导电衬底的抛光面上外延生长TiO2薄膜，和导电衬底一起组成阻变材料层；
步骤三：分别在阻变材料层的上表面和下表面溅射沉积一层金属或金属化合物，作为上电极和下电极。
5.根据权利要求4所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，采用氧等离子体辅助分子束外延法沉积TiO2薄膜，为真空沉积。
6.根据权利要求5所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，TiO2薄膜的生长条件是：Ti源温度1650-1700℃，射频功率为200-300W，导电衬底温度为250-600℃。
7.根据权利要求6所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，溅射沉积上电极和下电极速度为1-10nm/分钟，为真空条件下生长。
8.根据权利要求4至7任一所述的阻变存储器的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，上电极、下电极利用掩模板成型。
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Application publication date: 20101124 |