本发明专利技术公开了一种基于氧化锌材料的新型电阻式RAM(随机存储器)存储单元及制备方法。所述的存储单元包括开关元件和存储元件，特征在于开关元件以透明导电薄膜为底电极，以ZnO薄膜为中间层，以Pt、Au、Ir等功函数较高金属(M)为顶电极，形成FTO(ITO)/ZnO/M的结构。存储元件的中间层采用与开关元件相同的ZnO薄膜，以M为底电极和顶电极，形成M/ZnO/M的结构。两个中间层ZnO采用相同的氧等离子体辅助激光脉冲沉积制备工艺，制备出电学性能良好的ZnO薄膜。最大优点是获得了性能稳定的开关元件，并且开关元件和存储元件采用相同的制备工艺和薄膜材料，大大简化了工艺流程，获得了可实现稳定可逆电阻转变的并可避免误读操作的存储单元。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于氧化锌材料的新型电阻式RAM存储单元及其制备方法，更确 切地说涉及的存储单元是FTO或(ITO) /ZnO/M开关元件和Μ/&ι0/Μ存储元件串联而成，属 于高速存储器件领域。
技术介绍
近年来，电阻式随机存储器(RRAM)由于其具有结构简单、速度高、存储密度高以 及与现代半导体CMOS工艺匹配性优异等特点，逐渐成为新一代非挥发性存储器的研究热 点[Meijer 等 Science 319(5870) :1625-1626]。然而，当存储元件器件化后，读取指定存储元件数据时，周围存储元件对所要操作 元件的电流有很大的干扰[Linn等Nature Materials，2010，9，403-406]，因此必须将开关 元件串联到存储元件以避免这种错误操作，但是传统的硅基平面型的二极管与RRAM的三 明治堆叠结构不兼容，因此人们致力于新型的与RRAM兼容的开关元件的开发。虽然目前人们已经开发了几种与RRAM兼容、且具有二极管整流特性的开关元 件[Lee 等 Advanced Materials 19(1) :73-76 禾口 Lee 等 Advanced FunctionaMaterials 19 (10) :1587-1593]，但是这些具有二极管整流特性的开关元件不稳定，连续性差，且有很 大的正向电流[Lee等advanced Materials，2007，19，3919-3923]，不利于低功耗存储器件 的开发，因此单稳态的单极性电阻转变的开关元件应运而生。目前具有此种性能的开元件 只有报道的VO2 [Lee等advanced Materials, 2007，19，3919-3923]，未见其他的相关报道。因此，寻找成本低廉，制备工艺简单，且与存储元件电学性能匹配的开关元件对 RRAM实用化的推进由至关重要的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于氧化锌材料的新型电阻式RAM(随机存储器)存 储单元及制备方法，所述的存储单元包括开关元件和存储元件，均以ZnO薄膜为中间层。开 关元件采用透明导电薄膜FTO或者ITO(I)为衬底，(即底电极)形成FTO(或ΙΤΟ)/ZnO/M 的结构，具有稳定的开关性能和较低的开启电压(1.5-2V)。存储元件与开关元件共用一个 电极M，采用与开关元件相同的制备工艺，形成M/SiO/M的结构。存储元件具有与开关元件 开启电压几乎相同的高阻态和Set电压(从高阻态转为低阻态)，以利于最终阈值电压的匹 配。串联叠层后，获得了稳定可逆存储单元，当读取数据时，可有效的避免误读操作。本专利技术的目的之一是提供一种具有稳定开关性能的三明治结构的制备方法，并提 供一种全ZnO基的性能稳定的存储单元。本专利技术是全ZnO基开关元件与存储元件组成的存储单元，包括以下内容本专利技术采用开关元件的底电极为FTO或ΙΤ0，有良好的导电特性，且性能稳定。本专利技术的开关元件和存储元件都采用&10，其成本低廉，电学性能稳定。本专利技术的开关元件的结构是FTO(ITO)/ZnO/M，其电阻达到IO5数量级，与存储元件串联后，reset电流和set电流都很小，有利于低功耗RRAM的开发。存储元件记录数据，开 关元件控制在特定电压范围内进入存储元件读取数据。本专利技术存储元件的制备方法采用与开关元件相同，其高阻态也达到IO5的数量级， 串联后，有利于阈值电压的匹配。本专利技术的存储元件和开关元件的制备方法都是氧等离子体辅助激光脉冲沉积，衬 底温度较低(低于300°C )，与CMOS工艺兼容。本专利技术的开关元件和存储元件的阈值电压匹配，实现了存储单元的稳定可逆的高 低电阻转变。本专利技术的最大优点是获得了性能稳定的开关元件，并且开关元件和存储元件 采用相同的制备工艺和薄膜材料，大大简化了工艺流程，获得了可实现稳定可逆电阻转变 的并可避免误读操作的存储单元。附图说明图1是实施例1堆叠结构的开关元件和存储元件组成的存储单元示意图；图2是实施例1开关元件的单稳态特征曲线；图3是实施例1存储元件的双稳态的特征曲线；图4是实施例1存储单元的高低电阻转变的特征曲线。具体实施例方式下面通过具体实施例结合附图的说明，进一步阐述本专利技术的实质性特点和显著的 进步，但本专利技术决非仅局限于实施例。实施例1本实施例中，开关元件顶电极、存储元件的顶电极和底电极用Pt，开关元件的中间 层&ι02和存储元件的中间变阻层ZnO薄膜均采用氧等离子体辅助脉冲激光沉积法制备，具 体工艺步骤如下a)靶材准备选择ZnO陶瓷作为靶材，将靶材通过打磨平整表面，然后放入乙醇和 去离子水混合溶液中超声波清洗，烘干后置入真空室。b)衬底准备用乙醇和去离子水混合溶液超声清洗FTOl衬底，用去离子水冲洗 表面，然后用氮气吹干放入真空室中；抽真空至背景真空为3X 10_4Pa，加热衬底至温度 200 C。c)开关元件中SiO中间层薄膜的制备向真空室充入高纯氧气，调整氧分压为 2Pa，通过气体电离系统施加400V高压使氧气等离子化，电流为40MA，氧等离子体位于靶材 和衬底之间；所采用的激光能量为5J/cM2，脉冲频率为5Hz，靶材-衬底间距为10-15cm;制 备ZnO薄膜所采用的设备为中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司的PLD450型脉冲 激光镀膜设备及其气体电离系统。d)中间共用电极的制备采用电子束蒸发法，使用高纯Pt靶，在1X10_3I^真空条 件下在ZnO薄膜上沉积厚度为40-60nm的Pt电极，之后重复步骤c，制备出存储元件的中间 变阻层4 ；e)顶电极制备采用孔洞直径为0. Imm的掩膜板置于钛中间阻变层ZnO薄膜之 上；采用电子束蒸发法，使用高纯Pt靶，在1 X IQ-3Pa真空条件下沉积厚度为40-60nm的Pt电极。以上制备的开关元件和存储元件以及由它们组成的存储单元如图1所示，对开关 元件(FTO/ZnO/Pt)电学性能测试，获得稳定的单稳态的单极性电阻转变(如图2所示)，当 加直流电压扫描时，其在2. 2V开启，如电压继续增大，电阻保持为低阻态，但若降低电压， 在1. 5V时，电流迅速降低，电阻恢复到高阻态。对存储元件(Pt/ZnO/Pt)测试，获得稳定的 双稳态电阻转变(如图3所示)，加电压在1. 6V左右时，由高阻态降低到低祖态，在0. 8V左 右时由低阻态转变为高阻态。将开关元件和存储元件串联后(如图1所示)，开关元件的的 高阻态和存储元件的高阻态都大约为IO5数量级，此时，加电压扫描时，二者分担的电压大 致相同，在大约4V时，存储元件转为低阻态(50欧姆左右)，电压瞬间分担到开关元件上，开 关元件瞬间打开(如图黑点所示)，此时实现了存储单元由高阻态转为低阻态。对存储单元的低阻态直流扫描，此时开关元件恢复为高阻态，存储元件保持低阻 态，电压几乎全部加在开关元件上，记忆元件承担的电压非常小，随着电压的增加，当增加 到2. 2V左右时，此时达到了开关元件的开启电压，(如图蓝点所示)。开关元件的电阻转为 50欧姆左右，和存储元件的电阻相似，此时存储元件的电压瞬间增加到1. IV所有，Reset电 流在0.01A左右，(如图红点所示)由于热效应的积聚，存储元件中的导电丝通道断裂，存 储元件的电阻重新增加到IO5左右，本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．基于氧化锌材料的电阻式ＲＡＭ存储单元，所述的存储单元包括开关元件和存储元件，其特征在于：①开关元件以透明导电薄膜为底电极，以ＺｎＯ薄膜为中间层，以功函数较高的金属为顶电极的三明治结构；②存储元件的底电极和顶电极均为功函数较高的金属，中间阻变层为ＺｎＯ薄膜，形成Ｍ／ＺｎＯ／Ｍ结构；③存储单元由存储元件与开关元件串联而成，其中开关元件的顶电极与存储元件的底电极共用。
【技术特征摘要】
1.基于氧化锌材料的电阻式RAM存储单元，所述的存储单元包括开关元件和存储元 件，其特征在于①开关元件以透明导电薄膜为底电极，以ZnO薄膜为中间层，以功函数较高的金属为 顶电极的三明治结构；②存储元件的底电极和顶电极均为功函数较高的金属，中间阻变层为ZnO薄膜，形成 M/ZnO/M 结构；③存储单元由存储元件与开关元件串联而成，其中开关元件的顶电极与存储元件的底 电极共用。2.按权利要求1所述的存储单元，其特征在于所述的透明导电薄膜为FTO或ΙΤ0。3.按权利要求1所述的存储单元，其特征在于所述的开关元件的开启电压为1.5-2V， 电阻达IO5数量级。4.按权利要求1所述的存储单元，其特征在于所述的功函数较高的金属为Pt、Au或Ir。5.按权利要求1所述的存储单元，其特征在于开关元件的高阻态和存储元件高阻态具 有相同数量级的电阻，串联后有利于阀值电压的匹配。6.制备如权利要求1所述的存储单元的方法，其特征在于采用氧等离子体辅助脉冲激 光法制备两个aio中间层，其步骤是a)靶材准备选择ZnO陶瓷作为靶材，将靶材通过打磨平整表面，然后放入乙醇和去离 子水混合溶液中超声波清洗，烘干后置入真空室；...
【专利技术属性】
技术研发人员：李效民，张锋，于伟东，高相东，何邕，甘小燕，吴亮，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31
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