具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元及其制备方法，本发明专利技术碳基材料阻变存储单元包括衬底层、位于所述衬底层上的阻变层、位于所述阻变层上的包含两个平面电极的电极层，所述阻变层为掺杂有磁性元素的非晶碳薄膜阻变层，其中所述磁性元素的掺杂质量比为5‑20 wt%。本发明专利技术通过一种新颖的电极结构使阻变现象仅发生在负电压，单边阻变现象使阻变存储单元热量损耗更小，提升阻变存储单元读取次数。本发明专利技术通过在非晶碳中掺杂磁性元素，使得掺杂的非晶碳薄膜阻变层在具有稳定阻变特性的同时还具有一定磁特性；阻变窗口>10，存储时间>1×105 s；结构简单，成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非易失性存储器及其制备方法，阻变存储器及其制备方法，应用于电化学技术和微电子

技术介绍
目前，硅基闪存设备由于密度高、成本低，占据了非易失性存储器（NVM）市场的半边天。随着移动存储设备、手机通信设备以及数码相机等各种便携式数码产品的发展与普及，市场对非易失性存储的需求进一步增加，除了密度高、成本低，还应具有功耗低、读写速度快、性能稳定、存储时间长等特点。然而闪存的缩放特性，即进一步提高闪存密度，已接近其物理极限，因此功耗低、擦写速度快、缩放性强的阻变存储器应运而生，被视为下一代非易失性存储器的主流材料之一。阻变存储器的结构简单，其存储单元由类似电容器的MIM（金属-绝缘体-金属）的三明治结构构成，中间薄膜一般为具有阻变特性的介质薄膜。当对存储单元两端电极施加大小或者极性不同的电压时，可以实现高、低阻态的相互转换。目前，科研工作者发现很多材料具有阻变性能：1.二元过渡金属氧化物（TMOS），如TiO2，Cr2O3和NiO；2.钙钛矿型复合过渡金属氧化物，这些氧化物具有各种功能、顺电性、铁电性、磁电性和磁性，如(Ba,Sr)TiO3，Pb(ZrxTi1-x)O3，BiFeO3，PrxCa1-xMnO3；3.能带宽高k值的氧化物电介质，如Al2O3和Gd2O3；4.硫属化合物，如In2Se3和In2Te3；5.碳基材料，如非晶碳膜，石墨烯，氧化石墨烯等。与其他RRAM材料相比，非晶碳膜具有缩放性能持久稳定、成本低廉、与标准CMOS工艺兼容性好等优点。根据发生阻变的电压极性，可以将阻变模式分为单极型阻变特性和双极型阻变特性。单极型阻变特性是指阻变的发生不依赖于电压极性，而双极型则是在某一电压极性下发生SET过程，在相反的电压极性下出现RESET过程。最近，在ZnO和Nb:SrTiO3中发现了一种单边阻变特性，SET或RESET过程出现在零偏压的时候。但目前对磁性元素掺杂非晶碳膜阻变存储单元的研究未见文献报道。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元及其制备方法，通过在非晶体碳中掺杂磁性元素，使得不含磁性元素的非晶碳薄膜阻变层具有磁性、单边阻变特性，且阻变性能稳定。为达到上述专利技术创造目的，采用下述技术方案：一种具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元，依次由衬底层、阻变层和电极层组成三明治结构，阻变层位于底层和电极层之间，电极层由阴极薄膜和阳极薄膜两个图案化的平面电极组成，形成平面电极结构，阻变层为掺杂有磁性元素材料的非晶碳薄膜复合材料阻变材料薄膜，在阻变层中，其中磁性元素材料的掺杂质量为5～20wt%。上述阻变层的厚度优选为50～150nm。上述电极层优选为Au电极层，上述电极层的厚度优选为100～200nm。上述衬底层优选采用SiO2/Si复合材料制成。一种本专利技术具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元的制备方法，包括如下特征：S01：衬底层的预处理，得到洁净干燥的衬底层，备用；S02：阻变层的生长，包括以下步骤：S021：采用掺有磁性元素的碳复合靶材，以及把经过步骤S01预处理的衬底层贴上溅射托盘；S022：将衬底托盘放入磁控溅射装置的腔体中；S023：开启机械泵、预抽阀，将磁控溅射装置腔体内的气压抽到5Pa以下；S024：开启前级阀，延时30s，长按电动插板阀至PV为100%，然后关闭预抽阀；S025：启动分子泵，将磁控溅射装置腔体内气压抽至2×10-3Pa以下，然后关闭分子泵；S026：开启真空计，将磁控溅射装置腔体内气压抽至2×10-3Pa以下，开启充气阀，向腔体中通氩气；S027：调节溅射气压为0.65Pa，溅射功率100W；S028：开始生长掺有磁性元素材料的非晶碳薄膜，形成掺有磁性元素的非晶碳薄膜阻变层，在阻变层中，其中磁性元素材料的掺杂质量为5～20wt%；S03：在步骤S028制备的阻变层之上沉积制备平面电极薄膜，完成电极层的生长制备，使衬底层、阻变层和电极层组成三明治结构；S04：在步骤S03制备的电极层之上制备一层图案化的光刻材料层，使光刻材料层形成平面电极图形的掩膜；S05：采用刻蚀流体，对平面电极图形刻蚀，并去除光刻材料层，从而在阻变层之上制备图案化的平面电极薄膜；S06：对在步骤S05中制备的图案化的平面电极薄膜进行精整处理，使平面电极薄膜形成由阴极薄膜和阳极薄膜两个不连续的图案化的平面电极部分组成的平面电极结构，得到碳基材料阻变存储单元结构。作为上述方案进一步优选的技术方案，步骤S01包括以下步骤：S011：采用SiO2/Si作为衬底层；S012：分别利用去离子水、丙酮和乙醇将衬底层超声清洗15分钟，洗去衬底层的表面的杂质与有机物；S013：利用氩气将衬底层吹干，得到洁净干燥的衬底层。作为上述方案进一步优选的技术方案，步骤S03包括以下步骤：S031：将溅射制备阻变层的衬底放入热蒸发的腔体中；S032：启动机械泵抽系统抽至3Pa以下，启动扩散泵预热30min；S033：拉出低阀抽钟罩，将钟罩和系统内的气压都抽至3Pa以下，打开高阀；S034：将旋钮拧至“蒸发烘烤”档，升高电流，打开挡板；S035：开始阻变层之上蒸镀Au薄膜，从而在阻变层之上形成Au薄膜电极层。作为上述方案进一步优选的技术方案，步骤S04包括以下步骤：S041：将制备阻变层和电极层的衬底吸附在甩胶机样品台上；S042：打开甩胶机的吸片和控制功能；S043：调节甩胶机转速为3000转/s，时间为30秒；S044：启动甩胶机，在衬底中央滴2滴光刻正胶；S045：前烘，前烘温度为80℃，前烘时间10分钟；S046：调整光刻版与衬底的位置，使衬底与光刻版紧密接触；S047：紫外光曝光，曝光时间为40s；S048：显影，显影时间为90s；S049：后烘，后烘时间温度100℃，后烘时间10分钟，从而在步骤S03制备的电极层之上制备一层图案化的光刻材料层，使光刻材料层形成平面电极图形的掩膜。作为上述方案进一步优选的技术方案，步骤S05包括以下步骤：S051：将有光刻图形的衬底托盘放入氩离子刻蚀机的腔体中；S052：开启机械泵、上管阀，将腔体内的气压抽到5Pa以下；S053：开启下管阀，将腔体内气压抽到5Pa以下；S054：启动分子泵，打开高阀，将腔体内气压抽至2×10-3Pa以下；S055：将腔体内气压抽至2×10-3Pa以下，开启充气阀，向腔体中通氩气；S056：采用刻蚀气体，调节刻蚀气压为0.15Pa，电子能量500eV，离子束流50mA，中和电流60mA；S057：利用刻蚀气体刻蚀电极图形，时间13min，并去除光刻材料层，从而在阻变层之上制备图案化的平面电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元，其特征在于：依次由衬底层（1）、阻变层（2）和电极层（3）组成三明治结构，所述阻变层（2）位于所述底层（1）和所述电极层（3）之间，所述电极层（3）由阴极薄膜和阳极薄膜两个图案化的平面电极组成，形成平面电极结构，所述阻变层（2）为掺杂有磁性元素材料的非晶碳薄膜复合材料阻变材料薄膜，在所述阻变层（2）中，其中所述磁性元素材料的掺杂质量为5～20 wt%。

【技术特征摘要】
1.一种具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元，其特征在于：依次由衬底层（1）、阻变层（2）和电极层（3）组成三明治结构，所述阻变层（2）位于所述底层（1）和所述电极层（3）之间，所述电极层（3）由阴极薄膜和阳极薄膜两个图案化的平面电极组成，形成平面电极结构，所述阻变层（2）为掺杂有磁性元素材料的非晶碳薄膜复合材料阻变材料薄膜，在所述阻变层（2）中，其中所述磁性元素材料的掺杂质量为5～20wt%。
2.根据权利要求1所述具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元，其特征在于：所述阻变层（2）的厚度为50～150nm。
3.根据权利要求1或2所述具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元，其特征在于：所述电极层（3）为Au电极层，所述电极层（3）的厚度为100～200nm。
4.根据权利要求1或2所述具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元，其特征在于：所述衬底层（1）采用SiO2/Si复合材料制成。
5.一种具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元的制备方法，其特征在于，包括如下特征：
S01：衬底层的预处理，得到洁净干燥的衬底层，备用；S02：阻变层的生长，包括以下步骤：S021：采用掺有磁性元素的碳复合靶材，以及把经过步骤S01预处理的衬底层贴上溅射托盘；S022：将衬底托盘放入磁控溅射装置的腔体中；S023：开启机械泵、预抽阀，将磁控溅射装置腔体内的气压抽到5Pa以下；S024：开启前级阀，延时30s，长按电动插板阀至PV为100%，然后关闭预抽阀；S025：启动分子泵，将磁控溅射装置腔体内气压抽至2×10-3Pa以下，然后关闭分子泵；S026：开启真空计，将磁控溅射装置腔体内气压抽至2×10-3Pa以下，开启充气阀，向腔体中通氩气；S027：调节溅射气压为0.65Pa，溅射功率100W；S028：开始生长掺有磁性元素材料的非晶碳薄膜，形成掺有磁性元素的非晶碳薄膜阻变层，在阻变层中，其中所述磁性元素材料的掺杂质量为5～20wt%；S03：在步骤S028制备的阻变层之上沉积制备平面电极薄膜，完成电极层的生长制备，使衬底层、阻变层和电极层组成三明治结构；S04：在步骤S03制备的电极层之上制备一层图案化的光刻材料层，使光刻材料层形成平面电极图形的掩膜；S05：采用刻蚀流体，对平面电极图形刻蚀，并去除光刻材料层，从而在阻变层之上制备图案化的平面电极薄膜；S06：对在步骤S05中制备的图案化的平面电极薄膜进行精整处理，使平面电极薄膜形成由阴极薄膜和阳极薄膜两个不连续的图案化的平面电极部分组成的平面电极结构，得到碳基材料阻变存储单元结构。6.根据权利要求5所述具有单边阻变特性的碳基材料阻变存储单元的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪琳，周家伟，张电，季欢欢，杨瑾，张淑玮，任兵，王林军，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31