CN103367637A

CN103367637A - 一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器

Info

Publication number: CN103367637A
Application number: CN2013102977793A
Authority: CN
Inventors: 陈伟; 任书霞; 赵旭
Original assignee: Hebei Normal University
Current assignee: Hebei Normal University
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了 一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，结构中包括底电极、顶电极以及位于底电极、顶电极之间的介质层，所述介质层为室温下具有亚铁磁性的四氧化三铁薄膜，薄膜厚度为 20nm ～ 200nm 。采用商用 Pt/Ti/SiO _2/ Si 为基底， Pt 为底电极，顶电极为 Ag/Ti 双层金属顶电极。 利用施加电压的方式实现了四氧化三铁磁性和电性的同时调控，为磁性材料作为阻变存储器介质的应用提供了新的途径。该存储器的介质层 Fe ₃ O ₄ 自然界资源丰富、价格低廉、 制备简单，所制备的器件在小于 0.6V 的电压下即可以实现电性与磁性的同时变化，提高了信息的存储维度，有利于减小能耗，降低成本。

Description

一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器

技术领域

本发明涉及一种存储器，特别是一种可同时调控介质层电性与磁性的多

维度存储器，属于信息存储技术领域。

背景技术

目前固态存储器得到了广泛的应用，如磁随机存取存储器、闪存存储器、阻变存储器等。这些存储器都是对电子的自旋和电荷两种属性的独立应用。传统上一般利用磁场来调控材料的磁性，利用电场来调控材料的电性，即通过外加磁场/电场使材料处于不同的磁/电状态，作为逻辑状态 “0” 和 “1”。目前寻找高密度信息存储一直激励着能够实现仅由外电场便可方便地同时调控器件的电性和磁性的一种新型存储器件的研究，这将能够大大的提高信息的擦写、传递、处理、读取等操作的速度并降低器件的能量消耗。

四氧化三铁作为典型的半金属材料，组份简单，自然资源丰富，具有较高的居里温度，室温下具有亚铁磁性和良好的导电性。以往对其磁性的调控是采用外加磁场的方法，而通过外加电场来同时实现其电性与磁性的调控，则可将其磁性和电学两种存储信息的载体集合在一起，有效提高存储器的存储维度，大大提高信息存储的速度和容量，而且成本低廉，便于操作，设备简单，达到节约能源，提高效率的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，解决了磁性介质需要依靠外加磁场来调控其磁性的问题，实现了仅依靠外加电场便可方便地达到磁性介质层磁性与电性同时改变的目的。

本发明的目的是这样实现的。一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，结构中包括底电极、顶电极以及位于底电极、顶电极之间的介质层，所述介质层为室温下具有亚铁磁性的四氧化三铁薄膜；

本发明中，所说的介质层四氧化三铁薄膜厚度为20～200nm。

本发明中，所述底电极为Pt，顶电极为双层Ag/Ti电极，顶电极直径为0.8～1um，Ag/Ti层厚度分别为70～100nm和10～20nm，顶电极面积占所述Fe₃O₄薄膜面积的70%～80%，有效提高存储密度。

本发明采用外加电场的方式，同时实现四氧化三铁存储介质层的电性和磁性的变化，这种电性和磁性的变化可以同时用作信息的存储，增加了信息存储的维度。当施加很小的电压时（小于0.6V），电阻变化率达到1000%～2600%，饱和磁化强度变化率达到20%～45%，剩磁变化率达到10%～40%。

本发明的存储器，Set电压、Reset电压低且一致性好。

本发明的存储器的机理是，在外电场作用下，由于氧离子的迁移与聚集，磁性四氧化三铁介质层发生了Fe₃O₄与γ-Fe₂O₃之间的转变，导致介质层电性与磁性的同时改变，从而可实现信息的多维度存储。

本发明的可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器的制备方法，包括以下步骤：

（1）在商用Pt/Ti/SiO₂/Si基底上制备Fe₃O₄薄膜；

Fe₃O₄薄膜采用脉冲激光沉积方法（PLD）方法制备，厚度为20～200nm。工艺条件为：工作室背景真空度≤5.0×10^-5Pa，氧压在5.0×10^-5Pa～5.0×10^-4Pa范围内，衬底温度为350℃～500℃，底电极距靶材3.0～5.0cm，频率保持为3Hz～5Hz，靶面能量密度约为1.8J/cm²～2.5J/cm²。

（2）对Fe₃O₄薄膜在真空环境下进行退火处理；

退火条件为：退火温度350℃～650℃、退火时间10分钟～60分钟。

（3）在退火处理的Fe₃O₄薄膜上制备双层Ag/Ti顶电极，得到基于外电场调控的多维度RRAM器件；

顶电极为Ag/Ti双层电极，采用磁控溅射方法制备。电极直径0.8um～1um，面积占所述Fe₃O₄薄膜面积的70%～80%，Ag/Ti层厚度分别为70～100nm和10～20nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用室温下具有亚铁磁性的四氧化三铁作为存储器介质层，利用施加电压的方式实现了四氧化三铁磁性和电性的同时调控，为磁性材料作为阻变存储器介质的应用提供了新的途径。存储器的介质层Fe₃O₄自然资源丰富，价格便宜，制备简单，室温下具有亚铁磁性。在提高了存储器存储维度的同时达到了设备简单、降低成本的效果。该器件Set、Reset电压低，在所加外电场很小的情况下（小于0.6V）即可实现电性与磁性的同时变化，从而有效降低了器件的能耗。采用Ag/Ti双层顶电极，保证了器件的循环稳定性。

附图说明

图1为本发明实例3一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器的典型电流-电压（I-V）曲线图。

图2为本发明实例3一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器的高、低阻态(HRS、LRS)的保持特性。

图3为本发明实例3一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器的室温高、低阻态的磁滞回线。

图4为本发明实例3一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器处于高、低阻态的XPS图谱，分析表明，高阻态时出现了γ-Fe₂O₃。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明。

实施例 1

一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，结构中包括底电极Pt、双层顶电极Ag/Ti以及位于底电极Pt、双层顶电极Ag/Ti之间的介质层Fe₃O₄，Fe₃O₄介质层厚度为50nm，双层顶电极Ag/Ti层厚度分别为80nm和10nm，其制备方法包括以下步骤：

（1）在所述采用商用Pt/Ti/SiO₂/Si底电极上形成Fe₃O₄薄膜。

靶材是采用纯度99.9%的α-Fe₂O₃经热压烧结制成的陶瓷靶材。PLD工作室背景真空度为5.0×10^–5Pa，底电极距靶材5.0cm，衬底温度500℃，频率保持3Hz，靶面能量密度约为2.0J/cm²，薄膜生长过程中氧压维持在7.0×10^-5Pa，得到Fe₃O₄薄膜样品，薄膜厚度为50nm。

（2）在500℃下对所述Fe₃O₄薄膜原位退火30分钟。

（3）在所述原位退火的Fe₃O₄薄膜上制备双层Ag/Ti顶电极。

给所述原位退火的Fe₃O₄薄膜加盖掩膜板，在真空度量级为10^-4Pa的条件下，采用磁控溅射方法溅射的双层Ag/Ti顶电极，电极直径为1um，面积占所述Fe₃O₄薄膜面积的70%。

对该器件采用多功能数字源表（Keithley 2612 Source Meter）进行触发，发现其Set电压和Reset电压仅为0.3-0.4V时即可被触发到高、低阻态，而阻变比率高达2208%。测量其保持性超过12000秒时高、低阻态仍非常稳定。利用PPMS测量器件处于高、低阻态时的磁滞回线，发现磁性明显不同，高、低阻态的饱和磁化强度分别为257和333emu/cm³，剩磁分别为172和217 emu/cm³，高阻态对应弱的磁性，低阻态对应强的磁性。其他实施例也都具有相同的性能。

实施例2

一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，结构中包括底电极Pt、双层顶电极Ag/Ti以及位于底电极Pt、双层顶电极Ag/Ti之间的介质层Fe₃O₄，Fe₃O₄介质层厚度为30nm，双层顶电极Ag/Ti厚度分别为90nm和10nm。

具体制备方法除以下变化，其余同实例1。

底电极距靶材4.0cm，衬底温度450℃，靶面能量密度约为1.8J/cm²，薄膜生长过程中氧压维持在1.0×10^-4Pa，退火温度为450℃，退火时间为20分钟，得到Fe₃O₄薄膜样品。

实施例3

一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，结构中包括底电极Pt、双层顶电极Ag/Ti以及位于底电极Pt、双层顶电极之间的介质层Fe₃O₄，Fe₃O₄介质层厚度为120nm，双层顶电极Ag/Ti厚度分别为90nm和20nm。

具体制备工艺除以下变化，其余同实例1。

底电极距靶材3.0cm，衬底温度500℃，靶面能量密度约为2.5J/cm²，薄膜生长过程中氧压维持在1.0×10^-4Pa，退火温度为650℃，退火时间为30分钟，得到Fe₃O₄薄膜样品，薄膜厚度为120nm。在所述原位退火的Fe₃O₄薄膜上制备双层Ag/Ti顶电极。

实施例4

一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，结构中包括底电极Pt、双层顶电极Ag/Ti以及位于底电极Pt、双层顶电极Ag/Ti之间的介质层Fe₃O₄，Fe₃O₄介质层厚度为70nm，双层Ag/Ti顶电极厚度分别为100nm和20nm。

具体制备工艺除以下变化，其余同实例1。

底电极距靶材3.0cm，衬底温度450℃，靶面能量密度约为2.3J/cm²，薄膜生长过程中氧压维持在6.0×10^-5Pa，退火温度为450℃，退火时间为30分钟，得到Fe₃O₄薄膜样品，薄膜厚度为70nm。在所述原位退火的Fe₃O₄薄膜上制备双层Ag/Ti顶电极。

实施例5

一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，结构中包括底电极Pt、双层顶电极Ag/Ti以及位于底电极Pt、双层顶电极Ag/Ti之间的介质层Fe₃O₄，Fe₃O₄介质层厚度为40nm，双层Ag/Ti顶电极厚度分别为90nm和10nm。

具体制备工艺除以下变化，其余同实例1。

底电极距靶材3.0cm，衬底温度400℃，靶面能量密度约为1.8J/cm²，薄膜生长过程中氧压维持在7.0×10^-5Pa，退火温度为400℃，退火时间为30分钟，得到Fe₃O₄薄膜样品，薄膜厚度为40nm。在所述原位退火的Fe₃O₄薄膜上制备双层Ag/Ti顶电极。

主要性能参数：

1、电性：样品的电阻转变性能测试采用多功能数字源表（Keithley 2612 Source Meter），测试探针台。测量器件由电场诱发的电阻转变行为（Colossal Electroresistance, CER）和电脉冲诱发的电阻转变行为（Electric-pulse induced resistance switching, EPIR）。正偏压的方向定义为电流从顶电极Ag/Ti流向底电极的方向。为防止薄膜击穿，限制电流为100mA，最大扫描电压为0.60V。测试结果见表1和附图1。

2、磁性：样品的磁性测量采用综合物性测量系统（PPMS)。高、低阻的磁滞回线测试结果见表1和附图3。

由表1可以看出，本发明制备的可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器室温下Set电压、Reset电压的最小值分别只有0.25 V和0.30V，且分布范围非常小，△Set电压、△Reset分布范围最大仅为0.05V，阻变比率最高可达2630%（实例3）；高、低阻态的饱和磁化强度和剩磁也均发生了显著的变化，实例1、实例2、实例3、实例4和实例5的饱和磁化强度变化率分别为29.6%、43.4%、28.7%、20.0%和23.0%，剩磁变化率分别为26.2%、39.7%、22.3%、22.4%和10.0%。

表1 实施例的电、磁性能参数

Claims

1.一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，结构中包括底电极、顶电极以及位于底电极、顶电极之间的介质层，其特征在于：所说的介质层为室温下具有亚铁磁性的四氧化三铁薄膜。

2.根据权利要求1所述的可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，其特征在于所说的介质层四氧化三铁薄膜厚度为20～200nm。

3.根据权利要求1所述的可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器，其特征在于所说的底电极为Pt，顶电极为双层Ag/Ti电极，顶电极直径为0.8～1um，Ag/Ti厚度分别为70～100nm和10～20nm，面积占所述Fe₃O₄薄膜面积的70%～80%。