[发明专利]具有反常阻变特性的碳基材料阻变存储单元及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种存储设备及其制备方法，特别是涉及一种阻变存储器及其制备方法，应用于电化学和微电子技术领域。

背景技术

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)一半的市场。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(Zr_xTi_1-x)O₃，BiFeO₃，Pr_xCa_1-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中发现了一种反常阻变特性，SET或RESET过程出现在零偏压的时候，但ZnO和Nb:SrTiO₃的磁性质和磁输出特性还不够理想，制备成本也较高，目前对Fe掺杂非晶碳膜阻变存储单元的研究还未见文献报道。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有反常阻变特性的碳基材料阻变存储单元及其制备方法，它通过在非晶体碳中掺杂Fe，使得不含氧的a-C/Fe薄膜阻变层具有磁性、具有反常阻变特性，且阻变性能稳定。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有反常阻变特性的碳基材料阻变存储单元，自下而上依次主要由衬底层、下电极层、阻变层和上电极层结合而成，阻变层为在非晶碳膜中掺杂有Fe的a-C/Fe薄膜阻变层，其中Fe的掺杂量为4.0at%。

作为本发明优选的技术方案，下电极层形成长条直板形结构，另外通过图案化方法使上电极层形成平行栅条形的电极图案结构，并使上电极层和下电极层在阻变层上的投影呈十字交叉阵列关系。

作为上述技术方案中进一步优选的技术方案，阻变层的厚度为50~150nm。

作为上述技术方案中进一步优选的技术方案，下电极层为Ti电极层和Au电极层互相结合的复合电极层，其中Ti电极层和Au电极层的厚度分别为5~15 nm和100~200 nm。

作为上述技术方案中进一步优选的技术方案，上电极层为Al电极层和Pt电极层互相结合的复合电极层，其中Al电极层和Pt电极层的厚度分别为150~250nm和5~15 nm。

本发明还提供一种制备本发明具有反常阻变特性的碳基材料阻变存储单元的方法，包括以下步骤：

S1：衬底层预处理；

S2：在衬底层之上生长下电极层；

S3：在下电极层之上继续生长阻变层，包括以下步骤；

S3.1：采用Fe、C组成的复合靶材，在下电极层之上继续贴上薄膜掩膜版；

S3.2：将薄膜掩膜版放入磁控溅射的腔体中；