[发明专利]阻变氧化物材料的Co3O4薄膜和制备方法及其应用

说明书

一、技术领域

本发明涉及微电子材料领域，具体涉及一种阻变氧化物Co₃O₄薄膜和制备方法及其在制备可快速读写的高密度非易失性阻变存储器件中的应用。

二、背景技术

信息处理系统和信息存储系统是构成计算机的两大基本系统。当前使用的信息存储系统包括易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器多用于计算机系统的内部存储，在没有电源支持的时候，数据不能被保存。而非易失存储器在没有电源支持的时候，能够保存原来的数据，所以广泛用于信息系统的数据保存，如计算机、数码设备、工控设备等。当前使用的非易失性磁性介质存储器，由于在读写过程中磁头与记录介质要发生机械移动，因而无法实现快速读写，记录密度也难以进一步提高。Flash电子存储技术的存储速度优于磁性介质存储，但其在恶劣环境中可靠性较差，速度也不够理想。除此之外，还有正在研究中的铁电存储器(FeRAM)、基于自旋电子材料的M-RAM等，它们也因为各自的弱点而尚未大量被使用。

阻性存储单元结构简单，具有电阻开关(resistive switching)特性的氧化物薄膜材料夹于两电极(例如Pt)之间，这里电阻开关是指材料在电压循环扫描过程中能够表现出稳定的高、低电阻态。因而可通过外加电压调制存储材料的电阻状态从而实现布尔代数(Boolean algebra)中“1”和“0”码的编制。氧化物阻性存储器被视为可行性高，最具竞争力和应用前景的非易失性存储器件之一。它兼具动态随机存储器快速写入/擦除的能力以及flash存储器非易失性存储的特点，同时具有低工作电压及低能耗，并可实现高存储密度，能够为计算机主存和外存提供新的技术方案。

近半个世纪以来，集成电路的发展基本遵循了G.E.Moore提出的预言：“单个芯片上集成的元件数每十八个月增加一倍”。当硅基CMOS器件的尺寸逐渐缩小到纳米量级，传统器件将走近物理和技术的极限。所以，发展新型的存储技术，设计新型的存储器件，已经成为当前信息技术发展中一个重要的方面。其中，新型存储材料的开发是当前存储技术发展的关键。

三、发明内容

1.发明目的

本发明的目的在于提供一种阻变氧化物Co₃O₄薄膜和制备方法及其在非易失性阻变存储记忆元件中的应用。

2.技术方案

一种阻变氧化物Co₃O₄薄膜，其特征在于该薄膜的化学式为Co₃O₄，薄膜的厚度为200nm。

Co₃O₄薄膜的制备步骤如下：

a)CoO_x(0＜x＜4/3)陶瓷靶材的制备：将购买的四氧化三钴粉末经研钵研磨后冷压成圆柱形薄片，并在箱式电阻炉中烧结，得到致密的CoO_x陶瓷靶材；

b)将烧结好的CoO_x靶材4固定在脉冲激光沉积成膜系统(如图1所示)的靶台5上，衬底1固定在衬底台8上，它们部位于脉冲激光沉积成膜系统的生长室6中；

c)依次用机械泵和分子泵将生长室6内真空抽到约8.0×10^-4Pa，关闭分子泵后，打开进气阀9向生长室内通入氧气，通过调节进气阀调节生长室内氧气压至20Pa；

d)启动准分子激光器2，使激光束通过聚焦透镜3聚焦在CoO_x靶材4上；

e)用电阻炉加热衬底台，Pt/Ti/SiO₂/Si(111)衬底温度达到设定温度660℃；

f)根据该薄膜在能量密度为2.0mJ/cm²、频率为5Hz的生长条件下生长速率为0.25nm/S 确定沉积时间，在衬底1上沉积厚度为200nm厚的Co₃O₄薄膜。

上述薄膜的制备方法，其特征在于用激光脉冲沉积法生长薄膜的条件为衬底温度660℃、腔内氧气压20Pa。

上述制备方法步骤a)中冷压的压力为12Mpa，压成直径22mm高4mm的圆柱形薄片，在电阻炉中900-1200℃中烧结。

上述的阻变氧化物Co₃O₄薄膜在制备非易失性阻变存储记忆元件中的应用：