一種基于外延氧化鎳薄膜異質結的多級存儲單元及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體集成電路及其制造技術領域，具體涉及一種基于外延氧化鎳薄膜異質結的多級存儲單元及其制備方法。
【背景技術】
[0002]信息技術的高速發展需要高速度、高密度以及低功耗的不揮發性存儲器，研究開發新型不揮發性存儲器近年來受到了持續的關注。電荷與自旋是信息存儲所利用的兩大電子屬性，而大多將兩者單獨應用且存在各自的弊端。
[0003]閃存利用電荷存儲機制，其操作電壓高、編程速度慢，尤其是半導體特征尺寸進入至Ij22nm時代后還將面臨物理極限；磁存儲器利用磁場對磁性薄膜讀寫完成信息存儲，但寫入速度慢，使用壽命短;鐵電存儲器的信息讀取是通過探測極化反轉的電流信號，其讀取電壓必須高于矯頑電壓屬破壞性讀出，尤其是存儲介質尺寸縮小到亞微米尺度可能會導致存儲電荷信號微弱難以讀取。
[0004]近年來科學家注意到，如果將電荷與自旋兩大屬性有機融合，利用電場寫入快、磁場讀取快的各自優勢可望實現新型“電寫磁讀”存儲器，于是人們在稀磁半導體、多鐵磁電耦合等領域開展了多年的研究，但是依然存在諸多瓶頸問題。最新研究還發現，利用與磁性氧化物薄膜阻變相關聯的磁調制，為電荷與自旋研究提供了新的途徑，有望成為在多方面滿足不揮發性存儲器需求的最具競爭力的解決方案。
[0005]因此，如何選擇阻變介質層材料，得到阻變性能良好，阻變性能穩定的阻變存儲器，探索將電荷與自旋兩大自由度相結合的多級存儲器，是科技工作者研究的重要課題，將極大地拓寬阻變存儲器的應用。
【發明內容】
[0006]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于外延氧化鎳薄膜異質結的多級存儲單元及其制備方法，所述外延氧化鎳薄膜異質結可以實現電阻與磁性的集成，達到多級存儲的目的。
[0007]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0008]1.—種基于外延氧化鎳薄膜異質結的多級存儲單元，所述多級存儲單元包括N1/Nb:SrTi03異質結構層，作為上電極的Pt金屬薄膜，作為下電極的金屬In。
[0009]進一步，所述N1/Nb: SrT13異質結構層由Nb: SrT13基片和N1薄膜構成，所述Nb:SrT13基片厚度為0.2-0.5mm，所述N1薄膜厚度為100?200nm。
[0010]進一步，所述Pt金屬薄膜厚度為100?200nm，所述金屬In厚度為200nm。
[0011 ] 進一步，所述Nb: SrT13基片為0.7 %Nb摻雜的SrT13單晶基片。
[0012]2、所述基于外延氧化鎳薄膜異質結的多級存儲單元的制備方法，其特征在于，步驟如下:
[0013]l)Nb: SrT13基片清理:分別用丙酮、無水乙醇、去離子水清洗Nb: SrT13基片表面，再用氮氣吹干待用；
[0014]2)制取N1/Nb: SrT13異質結構:采用脈沖激光沉積法在Nb: SrT13基片沉積N1薄膜制備N1/Nb = SrT13異質結構，所述N1薄膜厚度為100-200nm;
[0015]3)制作電極:采用直流磁控濺射沉積法在經步驟2)制備完成的N1/Nb: SrT13結構中N1薄膜面派射金屬Pt作為上電極，在Nb: SrTi03基片面壓金屬In作為下電極。
[0016]進一步，所述步驟2)依次按如下步驟實現:
[0017]a、將N1陶瓷靶材裝入靶臺中，將Nb: SrT13基片安裝在襯底臺上，靶材距離基片為5cm;
[0018]b、將沉積室本底真空抽至I X 10—5Pa，利用基片加熱臺將Nb = SrT13基片升溫至650°C，通入氧氣調節沉積室內的動態平衡氣壓為10?20Pa，調整激光器能量為260-280Mj，激光頻率為3-5Hz，調整光路聚焦到N1陶瓷靶材上開始沉積制取N1/Nb: SrT13結構；
[0019]C、沉積過程完成后，在氧氣氣氛下對N1/Nb = SrT13結構進行降溫，降溫速率為3-5°C/分鐘，冷卻到室溫后取出，即制得N1/Nb: SrT13結構。
[°02°] 進一步，所述步驟I)按如下方式進行:把Nb: SrTi03基片放入丙酮中用超聲波清洗器清洗10-15分鐘，后用無水乙醇和去離子水清洗Nb: SrT13基片，去除Nb: SrT13基片表面吸附的灰塵和碳粉顆粒，使Nb: SrT13基片表面平整而光滑，最后用氮氣吹干待用。
[0021]本發明的有益效果在于:
[0022]1、本發明所制備的基于外延氧化鎳薄膜異質結的多級存儲單元具有體積小、結構簡單、非揮發、可快速讀寫、工作電壓低、低能耗、無運動部件、非破壞性讀出等優點。
[0023]2、性能參數穩定，疲勞性測試結果表明所制備的多級存儲單元經過大于50次的抗疲勞性循環測試之后，仍然能在兩種阻態之間轉換，電阻值沒有明顯的變化，從而表明了本發明所制備的多級存儲單元具有較強的抗疲勞性能，在高阻態和低阻態都具有較好的保持特性。另外電壓-電流特性測試表明本發明的多級存儲單元高低阻態電阻/阻抗值的比大于105，同時，利用阻變可調控外延N1異質結薄膜的磁性，即在同一存儲器件中實現了電阻與磁性的電場調控，可達到多級存儲的目的。
【附圖說明】
[0024]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0025]圖1是異質結構層的XRD衍射圖；
[0026]圖2為測試本多級存儲單元采用的電路圖；
[0027]圖3是本多級存儲單元的電壓-電流特性測試圖，插圖為測試示意圖；
[0028]圖4是本多級存儲單元的多級阻變效應測試一；
[0029]圖5是本多級存儲單元的多級阻變效應測試二；
[0030]圖6是本多級存儲單元的抗疲勞特性測試圖；
[0031 ]圖7是本多級存儲單元的保持特性測試圖；
[0032]圖8是不同阻變狀態下的磁性測試圖。
【具體實施方式】
[0033]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0034]下述所用到的Nb= SrT13基片購自合肥科晶材料有限公司，所述脈沖激光沉積系統所用激光器為KrF準分子激光器，波長248nm，Lambda Physik COMPEX 205，沉積室是北京科學儀器有限公司生產的PLD-500系統，直流磁控濺射系統是沈陽科學儀器有限公司生產。
[0035]實施例1
[0036]制備基于外延氧化鎳薄膜異質結的多級存儲單元，具體步驟如下:
[0037]I )Nb: SrT13基片清理:Nb: SrT13基片先用丙酮去油污，把Nb: SrT13基片放入丙酮中用超聲波清洗器清洗10分鐘，后用無水乙醇和去離子水清洗Nb: SrT13基片，去除Nb:SrT13基片表面吸附的灰塵和碳粉顆粒，使Nb: SrT13基片表面平整而光滑，最后用氮氣吹干待用；
[0038]2)制取N1/Nb = SrT13異質結構:在脈沖激光沉積制膜系統的沉積室中，將N1陶瓷革El材裝入革El臺中，將所述Nb: SrTi03基片安裝在襯底臺上，革El材距離基片為5cm，將沉積室抽真空至I X 10—5Pa，同時將Nb = SrT13基片升溫至650°C，然后通入氧氣調節沉積室內的動態平衡氣壓為10Pa，調整激光能量為280MJ，其光路聚焦到N1陶瓷靶材上，所用激光頻率為5Hz，在所述Nb: SrT13基片上沉積N1阻變存儲層，沉積厚度為200nm，然后在氧氣氣氛下對所述N1阻變存儲層進行降溫，降溫速率為5°C/分鐘，冷卻到室溫后取出，制得N1/Nb:SrT13異質結構；
[0039]3)制作上電極:在直流磁控濺射沉積制膜系統的沉積室中，將上電極Pt金屬靶材安裝在沉積室的靶臺上，將步驟2)制備的N1/Nb: SrT13異質結構安裝在襯底臺上，然后抽真空至I X 10—4Pa,然后通入氬氣使生長室內的動態平衡氣壓為3Pa，在所制得N1/Nb:SrTi03異質結構的N1阻變存儲層上利用孔徑0.2mm掩膜板派射200nm厚的Pt金屬薄膜做上電極，形成Pt/Ni0/Nb: SrT13異質結構層；
[0040]4)制作下電極:在步驟(3)制得的Pt/Ni0/Nb: SrT13異質結構的Nb: SrT13背面壓金屬In做下電極，即得到Pt/Ni0/Nb:SrTi03/In多級存儲單元。
[0041 ] 實施例2
[0042]制備基于外延氧化鎳薄膜異質結的多級存儲單元，具體步驟如下:
[0043]I )Nb: SrT13基片清理:Nb: SrT13基片先用丙酮去油污，把Nb: SrT13基片放入丙酮中用超聲波清洗器清洗15分鐘，后用無水乙醇和去離子水清洗Nb: SrT13基片，去除Nb:SrT13基片表面吸附的灰塵和碳粉顆粒，使Nb: SrT13基片表面平整而光滑，最后用氮氣吹干待用；
[0044]2)制取N1/Nb = SrT13異質結構:在脈沖激光沉積制膜系統的沉積室中，將N1陶瓷革El材裝入革El臺中，將所述Nb: SrTi03基片安裝在襯底臺上，革El材距離基片為5cm，將沉積室抽真空至I X 10—5Pa，同時將Nb = SrT13基片升溫至650°C，然后通入氧氣調