CN102169957A - 一种双极阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极阻变存储器及其制备方法，存储器包括MgO单晶衬底，所述MgO单晶衬底上生长有一层TiN薄膜，所述TiN薄膜外延生长一层TiO2薄膜，所述TiO2薄膜表面镀有金属电极，金属电极作为器件的上电极，TiN薄膜作为器件的下电极。制备方法，包括以下步骤：选用MgO单晶衬底；利用射频等离子体分子束外延设备在所述单晶衬底上生长一层TiN薄膜；利用掩模板遮盖衬底表面的一半，继续外延生长一层TiO2薄膜；在TiO2薄膜表面镀上金属电极。本发明采用水平方向的结构有利于大规模高密度集成应用；电极制作与阻变材料的生长有机结合使得器件的制备简单，也降低了其高密度集成的难度。本发明应用于电子存储产品。

Description

一种双极阻变存储器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种存储技术，特别是一种双极阻变存储器及其制备方法。
背景技术
目前，基于电阻改变的非易失性存储器的研究受到广泛的关注。而这些存储器大多是基于过渡金属氧化物，它们大多是多晶、非晶材料，使得器件的性能变得不稳定而且开关机理更为复杂；器件的组合方式大多采取垂直方向的结构，不利于大规模高密度集成应用；电极的制作与阻变材料的生长不能有机地结合，更加大了器件高密度集成的难度。目前针对阻变存储的机理提出了各种模型，但还不能对所有实验现象作出合理的解析。还有，相对于双极阻变存储的另外一种形式——单极阻变存储，由于其高低电阻的设置电压不稳定，也限制了其进一步的应用。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种结构简单，稳定性好的双极阻变存储器。
本发明的另一个目的是提供一种集成度高、制备难度低的双极阻变存储器制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双极阻变存储器，包括MgO单晶衬底，所述MgO单晶衬底上生长有一层TiN薄膜，所述TiN薄膜外延生长一层TiO2薄膜，所述TiO2薄膜表面镀有金属电极，金属电极作为器件的上电极，TiN薄膜作为器件的下电极。
进一步作为优选的实施方式，所述MgO单晶衬底为100取向的MgO单晶衬底。
进一步作为优选的实施方式，所述TiN薄膜的厚度为50-100nm。
进一步作为优选的实施方式，所述TiO2薄膜的厚度为200nm。
进一步作为优选的实施方式，所述金属电极为Ti金属电极。
进一步作为优选的实施方式，所述TiN薄膜上排布有至少1个方形或圆形的TiO2薄膜和金属电极。
一种双极阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：
A、选用MgO单晶衬底；
B、利用射频等离子体分子束外延设备在所述单晶衬底上生长一层TiN薄膜；
C、利用掩模板遮盖衬底表面的一半，继续外延生长一层TiO2薄膜；
D、在TiO2薄膜表面镀上金属电极。
进一步作为优选的实施方式，所述MgO单晶衬底为100取向的MgO单晶衬底。
进一步作为优选的实施方式，所述TiN薄膜的厚度为50-100nm。
进一步作为优选的实施方式，所述TiO2薄膜的厚度为200nm。
X射线衍射分析证明，上述TiN、TiO2薄膜均为单晶薄膜。通过分子束外延法在MgO衬底上形成单晶薄膜。
电流-电压曲线测试表明，本发明通过在存储器Ti/TiO2/TiN/MgO上分别用正向电压(+2V)与反向电压(-2V)设置低电阻和高电阻状态，存储器表现出非常明显的双极开关的性质。
本发明的有益效果是：本发明双极阻变存储器制备方法采用水平方向的结构有利于大规模高密度集成的应用需求；电极制作与阻变材料的生长有机结合使得器件的制备流程简单，同时也降低了其高密度集成的难度；阻变材料为单晶薄膜，这样更有利于去研究Ti/TiO2/TiN/MgO器件的开关机理。
附图说明
图1是本发明的Ti/TiO2/TiN/MgO双极阻变存储器的结构示意图；
图2是本发明Ti/TiO2/TiN/MgO存储器在外电压作用下电阻开关特性的示意图，电压扫描方向为0V→3V→0V→-3V→0V，如箭头所示；
图3是本发明的Ti/TiO2/TiN/MgO存储器的高密度集成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种结构简单，稳定性好的双极阻变存储器，其包括MgO(100)单晶衬底1、设于MgO单晶衬底1上并作为下电极的TiN薄膜2、设于TiN薄膜2上的TiO2薄膜3和设于TiO2薄膜3上的金属电极4。
上面所述的金属电极4为多个独立的点电极，为金属Ti；下电极TiN薄膜2和TiO2薄膜3均为单晶薄膜，该存储器的结构可表示为：Ti/TiO2/TiN/MgO。
在开关特性测定过程中，我们设定电流由金属Ti电极4流向下电极TiN薄膜2的方向为正偏压方向，反之则为负偏压方向。如图2所示，当器件上面施加的电压扫描到2V时，器件的电流突然增大，说明器件从起初的高阻态被设置成低阻态；接着电压继续从3V→-3V扫描，在-2V时再一次发生电流突变的现象，器件的电流突然变小，说明器件被重新设置成高阻态。在电压扫描的过程中我们还可以看到，除了电流突变点以外，器件的电流-电压曲线基本上呈线性，说明器件被设置成高低阻态后，其状态都能很好地保持。
此外，分别对TiO2薄膜上的所有独立电极进行上面的开关性质测试，结果发现每个独立电极测试出来的开关性质基本上一样，因此可以确定它们彼此间是不会相互影响的。
基于上述的特点，我们提出基于器件Ti/TiO2/TiN/MgO的高密度集成方案：在适当大小的MgO(100)单晶衬底上，首先外延生长一层TiN薄膜作为下电极，然后利用设计好的带有一系列高密度正方形小孔的掩模板覆盖在TiN薄膜表面继续外延生长TiO2层，这样就得到一系列高密度的TiO2薄膜块，最后原位镀上Ti电极，移除掩模板后就能得到Ti/TiO2/TiN/MgO结构的高密度集成器件，如图3所示，TiN薄膜上的每一个方块代表一个独立的存储单元。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种双极阻变存储器，其特征在于：包括MgO单晶衬底（1），所述MgO单晶衬底（1）上生长有一层TiN薄膜（2），所述TiN薄膜（2）外延生长一层TiO2薄膜（3），所述TiO2薄膜（3）表面镀有金属电极（4），金属电极（4）作为器件的上电极，TiN薄膜（2）作为器件的下电极。
2.根据权利要求1所述的一种双极阻变存储器，其特征在于：所述MgO单晶衬底（1）为100取向的MgO单晶衬底。
3.根据权利要求1所述的一种双极阻变存储器，其特征在于：所述TiN薄膜（2）为厚度50-100nm的单晶薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种双极阻变存储器，其特征在于：所述TiO2薄膜（3）为厚度200nm的单晶薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种双极阻变存储器，其特征在于：所述金属电极（4）为Ti金属电极。
6.根据权利要求1所述的一种双极阻变存储器，其特征在于：所述TiN薄膜（2）上排布有至少1个方形或圆形的TiO2薄膜（3）和金属电极（4）。
7.一种双极阻变存储器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、选用MgO单晶衬底；
B、利用射频等离子体分子束外延设备在所述单晶衬底上生长一层TiN薄膜；
C、利用掩模板遮盖衬底表面的一半，继续外延生长一层TiO2薄膜（3）；
D、在TiO2薄膜（3）表面镀上金属电极。
8.根据权利要求7所述的一种双极阻变存储器的制备方法，其特征在于：所述MgO单晶衬底（1）为100取向的MgO单晶衬底。
9.根据权利要求7所述的一种双极阻变存储器的制备方法，其特征在于：所述TiN薄膜（2）为厚度50-100nm的单晶薄膜。
10.根据权利要求7所述的一种双极阻变存储器的制备方法，其特征在于：所述TiO2薄膜（3）为厚度200nm的单晶薄膜。
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