CN102723435B - 一种基于界面氧空位实现多值存储的阻变存储器件方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻变存储单元器件的制备方法，具体是指以金属Au和Ag分别做为上下电极、以0.5wt%掺Nb的单晶SrTiO3做为阻变层材料的一种基于界面氧空位实现多值存储的阻变存储器件方法。本发明通过以含Nb单晶SrTiO3为衬底，并超声清洗干净，自然晾干；然后用掩膜板遮挡，使用射频磁控溅射方法在衬底上溅射金属金薄膜做为一电极，金属银做为另一电极使用；再将两电极用铜线连接。本发明的优点是：所用器材为商业产品，无需繁琐制备；工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、结构连续。所制备的器件结构具有较大的存储窗口、良好的保持特性及多值存储的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Au/NSTO/Ag双肖特基结构实现多值阻变存储的阻变存储单元器件的制备方法，具体是指以金属Au和Ag分别做为上下电极、以0.5wt%掺Nb的单晶SrTiO3做为阻变层材料的异质结构在多种阻变存储性能上的同时实现。
技术背景
近年来，鉴于阻变存储器（RRAM）的存储单元结构简单、工作速度快、功耗低、信息保持稳定、具有不挥发性，而且，易于实现三维立体集成和多值存储，有利于提高集成密度等多方面的优越性能，因此，研究人员对它的研究越来越关注，并成为新一代存储技术研究的热点。其中，RRAM采用MIM三明治结构的存储器件，由上、下电极及中间的阻变层材料构成。当在两个电极之间施加一定幅度和一定宽度的脉冲电压，阻变层材料就会在高、低两个稳定的阻态之间进行可逆的转换。因而，可以进行“0”和“1”信息稳定的存储。可以实现可逆电阻转换的阻变层材料非常多，主要有钙钛矿氧化物，过渡金属氧化物，固态电介质材料，有机材料，以及其他材料。但是，对于如此众多的可用于阻变存储的忆阻材料会经历一个淘汰选择的过程，一方面要考虑材料的制备工艺，特别要考虑和CMOS工艺兼容。另一方面，要深入理解材料电阻转变的机制以及如何提高器件的综合存储性能。即包括要综合考虑RRAM的操作电压、存储窗口值、记忆保持时间、多值存储、耐受性、可缩小型等多个存储性能都达到最优值时，阻变层材料则完成了被选择从而进行保持稳定存储信息的使命。我们的研究旨在从如此纷繁众多可用于阻变存储的忆阻材料中寻找一种具有优异综合存储性能的阻变层材料。我们经过长时间系统性的研究发现，基于两个异质结的Au/Nb:SrTiO3/Ag三明治结构的单元存储器件比一个异质结构的存储器件，如Au/Nb:SrTiO3/Ti、Ag/Nb:SrTiO3/Ti（其中Ti与Nb：SrTiO3的接触表现了欧姆特性），在存储窗口值上有显著的提高，表现在两个数量级以上的提升，以及在记忆保持时间上也有显著的提高，高、低阻态分别经过4个多小时的测试后仍能保持完美的稳定特性，而对于其中的一个异质存储结构表现出的操作电压低及多值存储的性能在Au/Nb:SrTiO3/Ag结构中仍可以保留不变。因此，使Au/Nb:SrTiO3/Ag结构的存储器件在上文中提到的多个存储性能方面则都能同时达到最优化，在当前对存储材料进行淘汰选择的过程中表现出优越的综合存储性能，成为众多存储材料的有力竞争者。
发明内容
本发明的目的是制备一种具有良好存储性能的阻变存储器件。
本发明制备Au/Nb:SrTiO3/Ag存储器件的方法，是采用商用的单晶Nb：SrTiO3作为衬底，并用射频磁控溅射的方法在衬底上溅射沉积金属薄膜。
一种基于界面氧空位实现多值存储的阻变存储器件方法，其特征包括如下步骤：
（1）先取一片10mm×5mm×0.5mm大小的含Nb单晶SrTiO3为衬底，并超声清洗干净，自然晾干；其中的单晶SrTiO3衬底中含有质量含量为0.5%的Nb；
（2）将上述清洗干净的含Nb单晶SrTiO3衬底用掩膜板遮挡，然后使用射频磁控溅射方法在含Nb单晶SrTiO3衬底上溅射一层厚度为150nm-200nm、面积为1mm2的金属金（Au）薄膜做为电极，制成样品；
（3）将步骤（2）的样品剥离掩膜板，在含Nb单晶SrTiO3衬底上涂覆面积为1mm2的金属银（Ag）做为另一电极使用；
（4）将步骤（3）的样品用金属铜（Cu）线将金属金（Au）电极与金属银（Ag）电极连接起来。
作为优选，上述方法中所述的步骤（2）中所使用的射频磁控溅射方法时的真空度为7×10-4pa，溅射气压为0.8Pa，溅射时间为20min，溅射功率为60W，靶基距为5cm。
作为优选，上述方法中所述的步骤（2）中射频磁控溅射方法所得到的金属金薄膜的厚度约为150nm，面积为1mm2。
经上述方法所制得的样品，再对其样品进行二值存储、多值存储性能及保持性能测试。二值存储测试时写电压为+2V，擦电压为-2V，读电压为+0.2V；多值存储测试时所加的写电压为+2V，擦电压分别为-2V、-3V、-4V，读电压为+0.2V。保持性能测试时，所施加的读电压为0.2V，写、擦电压分别为+2V和-2V时测试的高、低阻态随时间变化关系。
有益效果：本发明制备过程中，所用器材为商业产品，无需繁琐制备；本发明在制备过程中，采用磁控溅射法制备金属金（Au）薄膜，工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、结构连续。所制备的器件结构具有较大的存储窗口、良好的保持特性及多值存储的性能。
附图说明
图1是用本发明方法制得的Au/Nb:SrTiO3/Ag的阻变存储器件一个单元的结构示意图；
图2是用本发明方法制得的Au/Nb:SrTiO3/Ag在0V→+2V→0V→-2V→0V扫描电压下半对数坐标的I-V曲线图；
图3是用本发明方法制得的Au/Nb:SrTiO3/Ag在常温下所测得的二值存储性能图；
图4是用本发明方法制得的Au/Nb:SrTiO3/Ag在不同电压下表现的多值存储性能图；
图5是用本发明方法制得的阻变存储器件在长时间给定读电压下的高、低阻态的保持特性图；
图6是用本发明方法制得的阻变存储器件在保持性能中高、低阻态倍值随时间变化的统计分布图。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
实施例1
取一片10mm×5mm×0.5mm规格大小的含Nb的单晶SrTiO3衬底，其中的单晶SrTiO3衬底中含有质量含量为0.5%的Nb，将其分别在去离子水、丙酮、去离子水、乙醇、去离子水中依次超声清洗干净，自然晾干。将清洗干净的衬底用掩膜板遮挡，置于磁控溅射仪真空腔内，采用射频磁控溅射的方法在暴露的含Nb单晶SrTiO3的衬底上溅射一层厚度为150nm，面积为1mm2的金属金（Au）薄膜，该器件结构的示意图如图1。而后将掩膜板脱离，在含Nb单晶SrTiO3的衬底上涂覆面积也为1mm2的金属银（Ag）。将金属金（Au）与金属银（Ag）用金属铜线（Cu）串联起来，其中金属金（Au）做为正极，给0V→+2V→0V→-2V→0V的扫描电压分别测试它们的I-V特性，如图2所示为它们在对数坐标下的I-V曲线，其中1、2、3、4是指Au/Nb:SrTiO3/Ag在不同电压极性下的高、低电阻间的电流状态；尔后再分别给以一定的读、写、擦电压进行两值和多值存储性能测试。其中两值存储测试时，读、写、擦电压分别为+0.2V、+2V、-2V，如图3所示为在此读、写、擦的脉冲电压下，器件的高（HRS）、低(LRS)阻态周期性的变化；进行多值存储测试时，读电压为+0.2V，写电压为+2V，擦电压分别为-2V、-3V、-4V，如图4所示为在此读、写、擦的电压下不同的高(HRS1、HRS2、HRS3)、低（LRS）阻态周期性的变化。图5所示则为读电压为+0.2V，写、擦电压分别为+2V，-2V时高（HRS）、低（LRS）两阻态随时间变化的保持特性。从图5中可以看出，经过4个多小时的电压脉冲测试后，高、低阻态间的存储窗口具有良好的保持特性。通过统计分析发现其阻变存储窗口随时间的变化呈正态分布，如图6所示，在1500附近进行波动，这一存储窗口值对于信息保持稳定的存储是非常有利的，表现了相当的稳定特性。以上的测试结果表明，基于Au/Nb:SrTiO3/Ag结构的存储器件具有较大的阻变倍值和多值存储的能力以及良好的保持稳定性能，对于信息的存储是一个很好的选择。
实施例2
如实施例1相同的取一片10mm×5mm×0.5mm规格大小的含Nb单晶SrTiO3的衬底，其中的单晶SrTiO3衬底中含有质量含量为0.7%的Nb，将其分别在去离子水、丙酮、去离子水、乙醇、去离子水中依次超声清洗干净，自然晾干。将清洗干净的衬底用掩膜板遮挡，置于磁控溅射仪真空腔内，采用射频磁控溅射的方法在暴露的含Nb单晶SrTiO3的衬底上溅射一层厚度为150nm，面积为1mm2的金属金（Au）薄膜，该器件的结构如示意图1。而后将掩膜板脱离，在含Nb单晶SrTiO3的衬底上涂覆面积也为1mm2的金属银（Ag）。所使用的射频磁控溅射方法时的真空度为7×10-4pa，溅射气压为0.8Pa，溅射时间为20min，溅射功率为60W，靶基距为5cm。将金属金（Au）与金属银（Ag）用金属铜线（Cu）串联起来，其中金属金（Au）做为正极，金属银（Ag）作负极。给0V→+2V→0V→-2V→0V的扫描电压分别测试它们的I-V特性，结果与实施例1中的图2相似，其中所示为它们在对数坐标下的I-V曲线，其中1、2、3、4是指Au/Nb:SrTiO3/Ag的高、低电阻间的电流状态；尔后再分别给以一定的读、写、擦电压进行两值和多值存储性能测试。其中两值存储测试时，读、写、擦电压分别为+0.2V、+2V、-2V，结果与实施例1中的图3所示相似；进行多值存储测试时，读电压为+0.2V，写电压为+2V，擦电压分别为-2V、-3V、-4V，结果与实施例1中的图4所示相似。当读电压为+0.2V，写、擦电压分别为+2V，-2V时高、低两阻态随时间变化的保持特性，如实施例1中的图5。从图5中可以看出，经过4个多小时的电压脉冲测试后，高、低阻态间的存储窗口具有良好的保持特性。通过统计分析发现其阻变存储窗口随时间的变化呈正态分布，在1500附近进行波动，这一存储窗口值对于信息的保持稳定的存储是非常有利的，与实施例1中的图6所示相似，表现了相当的稳定特性。以上的测试结果表明，基于Au/Nb:SrTiO3/Ag结构的存储器件具有较大的阻变倍值和多值存储的能力以及良好的保持稳定性能，对于信息的存储是一个很好的选择。
Claims (2)
1.一种基于界面氧空位实现多值存储的阻变存储器件方法，其特征包括如下步骤：
（1）先取一片10mm×5mm×0.5mm大小的含Nb单晶SrTiO3为衬底，并超声清洗干净，自然晾干；其中的单晶SrTiO3衬底中含有质量含量为0.5%的Nb；
（2）将上述清洗干净的含Nb单晶SrTiO3衬底用掩膜板遮挡，然后使用射频磁控溅射方法在含Nb单晶SrTiO3衬底上溅射一定厚度为150nm-200nm、面积为1mm2的金属金薄膜做为电极，制成样品；其中射频磁控溅射方法所得到的金属金薄膜的厚度为150nm，面积为1mm2；
（3）将步骤（2）的样品剥离掩膜板，在含Nb单晶SrTiO3衬底上涂覆面积为1mm2的金属银做为另一电极使用；
（4）将步骤（3）的样品用金属铜线将金属金电极与金属银电极连接起来。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤（2）中所使用的射频磁控溅射方法时的真空度为7×10-4pa，溅射气压为0.8Pa，溅射时间为20min，溅射功率为60W，靶基距为5cm。
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Granted publication date: 20140312 Termination date: 20150613 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |