一種多層阻變存儲器單元及其制備方法技術

本發明專利技術屬于電子材料與元器件技術領域，涉及信息存儲技術，具體涉及一種多層阻變存儲器單元及其制備方法，可增大阻變器件存儲窗口。從下至上依次為基片、底電極、阻變層、控制層和頂電極，控制層與阻變層的材料相同，但氧含量不同，控制層厚度為1～10nm；且上一層尺寸不超出下一層。本發明專利技術通過增加納米級控制層，使阻變存儲器的存儲窗口提高了1?2個數量級，達到多級存儲所需的必要條件；并且控制層的加入抑制了氧離子移動過程中在頂電極處的耗散，有效的保護了頂電極，增大了器件的穩定性。另外，該多層阻變存儲器單元的制備方法工藝簡單、易控制。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電子材料與元器件
，涉及信息存儲技術，具體涉及一種多層阻變存儲器單元及其制備方法，可增大阻變器件存儲窗口。
技術介紹
目前，市場上的存儲器件主要有磁存儲器和Flash存儲器，如傳統電腦硬盤、U盤、固態硬盤。阻變存儲器主要指利用固體元器件阻變層電阻狀態的可逆改變而存儲相關信息的新型存儲器，作為公認的下一代非揮發存儲器件，具有廣闊的市場前景。阻變存儲器的結構是一種多層薄膜結構。其基本結構為：底電極/阻變層/頂電極，如圖1所示。當電壓施加在電極上時，由于活性電極會離子化，進而在電場的作用下向阻變層中遷移，在遷移的過程中與電子結合被還原為金屬原子。此過程不斷循環進行，會在阻變層中形成金屬組成的導電通道，最終改變器件的電阻狀態，通過高低電阻態的獲取，即可制作出相應的存儲器。阻變存儲器結構簡單，核心的阻變層只由一種材料組成，易于大面積制備，可極大的降低生產成本；數據保存能力強，在器件使用的環境下，基本不受溫度、磁場等外界因素的影響，因此不易造成數據的丟失；存儲密度大，目前阻變存儲器單元已縮小至12×12nm2，且未發現任何衰減現象；存儲和讀取速度快，從電阻轉變的機理及器件的設計上優勢明顯，因此存儲速度遠大于磁存儲器和Flash存儲器；耗能低，使用功率在10-3～10-8W的范圍內，使用電流10-3～10-8A，產熱小，對散熱的要求較低。目前，阻變存儲器的存儲窗口(高電阻與低電阻的比值)普遍在102-103的數量級上，而存儲電路只有在存儲窗口大于101時才能識別高低電阻態，因此目前阻變存儲器仍為傳統的兩態存儲，即存儲狀態僅有0、1態，這種兩態存儲模式限制了存儲密度的進一步提升。因而，近年來科學家們提出了多級存儲作為未來高密度存儲器的存儲模式。而要實現基于阻變存儲的多級存儲，阻變存儲單元的存儲窗口首先必須大于103。因此如何增大存儲窗口成為一個迫切需要解決的問題。
技術實現思路
針對上述存在問題或不足，為解決阻變存儲的多級存儲中受限于存儲窗口的問題，本專利技術提供了一種多層阻變存儲器單元及其制備方法，可使存儲窗口增大1-2個數量級，為器件實現多級存儲提供有利的條件。一種多層阻變存儲器單元，從下至上依次為基片、底電極、阻變層、控制層和頂電極，所述控制層與阻變層的材料相同，但氧含量不同，控制層厚度為1～10nm；且上一層尺寸不超出下一層。所述多層阻變存儲器單元為圓或矩形，即底電極為圓或矩形，其直徑或邊長為50納米～500微米。所述阻變層厚度為30～100nm，9％-11％的氧分壓。控制層的材料為NiO，1％-7％或12％-20％的氧分壓。頂電極的材料為Ag、Cu或Co，厚度為5-300nm。底電極的材料為Pt或Au，厚度為5-300nm。該多層阻變存儲器單元的制備方法，包括以下步驟：步驟1.在Si基片上采用光刻工藝，光刻出底電極的尺寸和形狀圖形；采用真空鍍膜方法沉積底電極材料Pt或Au，厚度為5-300nm，經剝離后，得到底電極；步驟2.將步驟1制得的基片，先光刻出阻變層及控制層單元圖形；而后采用真空反應濺射鍍膜方法在其上依次沉積阻變層與控制層；阻變層厚度為30nm～100nm，采用9％-11％的氧分壓濺射制備；控制層厚度為1～10nm，采用1％-7％或12％-20％的氧分壓濺射制備；所述氧分壓為濺射過程中氧氣流量與總氣體流量的比例，氬氣流量為50-80sccm；所述總氣體流量即氧氣與氬氣流量之和；將濺射制得控制層后的基片，于500-600度低真空快速退火爐中退火至晶化完全即取出；步驟3.將步驟2制得的基片，光刻再沉積制備頂電極，厚度為5-300nm，最終制得多層阻變存儲器單元。本專利技術通過控制層的加入在阻變層與控制層的界面處形成了具有氧濃度差的界面。由于NiO為p型半導體材料，在高阻狀態下器件的導電性能符合半導體的導電機制，即以氧空位為載流子進行電荷的傳輸。而氧濃度差界面的出現抑制了器件中氧空位的移動，必須通過增大電壓實現載流子的移動，因此存儲單元高阻狀態時的電阻值大大提高，使得存儲窗口增大了1-2個數量級；其次，控制層的加入抑制了氧離子移動過程中在頂電極處的耗散，有效的保護了頂電極，增大了器件的穩定性。最終以矩陣排列應用于多層阻變存儲器。綜上所述，本專利技術利用納米級控制層，使阻變存儲器的存儲窗口提高1-2個數量級以上，達到多級存儲所需的必要條件；同時，控制層的加入抑制了氧離子移動過程中在頂電極處的耗散，有效的保護了頂電極，增大了器件的穩定性。附圖說明圖1是傳統阻變存儲器的基本結構示意圖；圖2是本專利技術的多層阻變存儲器單元的示意圖；圖3是加入氧分壓大于阻變層的控制層前后的阻變存儲器的電阻變化曲線；Normal表示未加入控制層的器件，5％表示加入的控制層的氧分壓為5％的器件；圖4是加入氧分壓小于阻變層的控制層前后的阻變存儲器的電阻變化曲線；Normal表示未加入控制層的器件，15％表示加入的控制層的氧分壓為15％的器件；附圖標記：1-頂電極，2-控制層，3-阻變層，4-底電極，5-基片。具體實施方式下面結合實施例與附圖對本專利技術做進一步詳細的說明。一種多層阻變存儲器單元，包括從下往上依次設置的基片、底電極、阻變層、控制層、頂電極，與現有阻變存儲單元的區別在于阻變層與頂電極之間還設置有控制層。其結構如圖2所示。底電極采用Pt作為底電極材料，底電極為正方形，其邊長為300微米，厚度為150nm；多層阻變存儲器單元各層均為正方形，其邊長為200微米，阻變層材料厚度為55nm，控制層厚度為2nm，阻變與控制層材料均選用NiO，但含氧量不同；頂電極邊長為100微米、厚度為150nm的Co膜。上述多層阻變存儲器單元的制備方法，包括以下步驟：實例1：步驟1：在Si基片上采用剝離光刻工藝，經過涂膠、預烘、曝光、后烘、范爆、顯影、烘干工藝，光刻出長邊、短邊均為300微米的存儲單元圖形；采用真空鍍膜方法制備Pt底電極，厚度為150nm。經剝離后，得到底電極。步驟2：在Pt底電極涂上反膠，預烘后采用光刻板圖光學曝光形成圖形，后烘后進行范曝，顯影后再烘干，光刻邊長為200微米的存儲單元圖形；將基片置于磁控濺射設備中，利用直流磁控濺射沉積阻變層和控制層，其中阻變層材料為NiO，厚度為55nm，采用10％的氧分壓進行制備；控制層材料選擇NiO，厚度為2nm，采用5％的氧分壓進行制備，與阻變層產生氧濃度差；沉積完成后，將基片置于丙酮溶液中去掉光刻膠，去膠完成后即在基片上留下阻變存儲器單元圖形。將濺射制得控制層后的基片，于550度低真空快速退火爐中退火10分鐘；步驟3：采用同步驟1的相同剝離光刻工藝光刻出頂電極圖形，頂電極邊長為100微米；而后采用薄膜沉積工藝，鍍制150nm厚的Co膜作為頂電極；頂電極沉積完成后，將基片置于丙酮溶液中去掉光刻膠，去膠完成后即制得多層阻變存儲器單元。將制得的阻變存儲單元置于探針測試臺上，利用兩根探針分別接觸頂電極和底電極。在頂電極處施加電壓，底電極接地。當寫入存儲信息時，首先施加3V電壓，存儲器電阻達到最低狀態并保持(50歐姆)，然后再施加-2V電壓即可使電阻達最大狀態。在施加正電壓時(即電阻從高阻狀態轉換為低阻狀態時)，采用限流措施，電流限制為10mA。其中，加入了控制層的樣品，高阻明顯增大了1-2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多層阻變存儲器單元，從下至上依次為基片、底電極、阻變層、控制層和頂電極，其特征在于：所述控制層與阻變層的材料相同，但氧含量不同，控制層厚度為1～10nm，；且上一層尺寸不超出下一層。

【技術特征摘要】
1.一種多層阻變存儲器單元，從下至上依次為基片、底電極、阻變層、控制層和頂電極，其特征在于：所述控制層與阻變層的材料相同，但氧含量不同，控制層厚度為1～10nm，；且上一層尺寸不超出下一層。2.如權利要求1所述多層阻變存儲器單元，其特征在于：所述控制層的材料為NiO，1％-7％或12％-20％的氧分壓。3.如權利要求1所述多層阻變存儲器單元，其特征在于：所述多層阻變存儲器單元為圓或方形，即底電極為圓或矩形，其直徑或邊長為50納米～500微米。4.如權利要求1所述多層阻變存儲器單元，其特征在于：所述阻變層9％-11％的氧分壓，厚度為30～100nm。5.如權利要求1所述多層阻變存儲器單元，其特征在于：所述頂電極的材料為Ag、Cu或Co，厚度為5-300nm。6.如權利要求1所述多層阻變存儲器單元，其特征在于：所述底電極的材料為Pt或Au，厚度為5-300nm。7.如權利要求1所述多層阻變存儲器單元...

【專利技術屬性】
技術研發人員：唐曉莉，馬國坤，蘇樺，鐘智勇，張懷武，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川;51