[发明专利]一种双层多孔结构非晶碳材料的阻变存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双层多孔非晶碳薄膜的高一致性非易失性阻变存储器，具体涉及一种双层多孔结构非晶碳材料的阻变存储器，本发明还涉及一种双层多孔结构非晶碳材料的阻变存储器的制备方法。

背景技术

存储器在现今电子产业中扮演着举足轻重的角色，其可分为易失性存储器和非易失性存储器。就非易失性存储器而言，目前主流的商用存储器主要包括磁存储器、光盘存储器和闪存(Flash)存储器。磁存储器具有容量大、价格低的优势，然而其工作过程需要磁盘旋转，机械结构比较复杂，读写速度也较慢。光盘存储器缺点与磁存储器类似，存在工作时盘片需要旋转、机械结构复杂的弊端。闪存具有存储容量较大、读写速度较快、无复杂机械结构的优点，被广泛应用于U盘中进行数据的存储，但其存储容量受硅基CMOS工艺尺寸不断减小而出现的一系列问题的制约，无法满足未来商业存储器的应用要求。阻变式存储器以其操作电压低、功耗小、擦写速度快、循环寿命长、保持时间长、结构简单、与传统CMOS(互补式金属氧化物半导体)工艺兼容性好等优点被寄希望成为下一代非易失性存储器。阻变存储器的的工作原理为在阻变介质层两端加上不同电压，使得阻变介质的电阻值，在高组态和低阻态之间相互转变。目前，各种材料的阻变存储器已经应运而生，优化存储器性能参数也是存储器科研工作者的主要工作内容之一，在金属导电细丝主导阻变机制的电阻式存储器中，可以通过优化导电细丝的位置和粗细来提高存储器单元的性能。多孔薄膜被广泛应用于半导体工业，比如应用多孔黑金刚石(Black Diamond)用于调节介电层介电常数。精细调节多孔薄膜的孔径，可以限域导电细丝的生长，可以提高其稳定性。碳其材料在当今科学研究领域扮演者重要角色，其具有的独特的光学和电学特征使其在晶体管、场发射、储能等领域都有着重要的应用前景，也因此被寄希望替代传统的硅基材料。

现如今，碳材料的阻变存储器面临的问题是需要初始化(forming)过程，导致器件随机性大、产出率低；器件的电学均一性不好，对外围控制设计增加很大难度，难于大面积集成。

发明内容

为了克服以上不足，本发明专利提供一种双层多孔结构非晶碳材料的阻变存储器，在非晶碳作为介质层的阻变存储器中，免去了初始化的过程，很大程度的提高了器件的产出率；通过控制氮气含量，精确控制介质层中的孔洞尺寸，有效控制导电细丝的形成与断裂，提升了器件的循环中的均一性。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明的一种双层多孔结构非晶碳材料的阻变存储器，包括惰性金属，第一层多孔非晶碳，第二层多孔非晶碳，活性金属，所述惰性金属为底电极，第一层多孔非晶碳设在所述底电极上，所述第二层多孔非晶碳设在第一层多孔非晶碳上，在所述第二层多孔非晶碳上设有活性金属，所述活性金属为顶电极，所述第二层多孔非晶碳上的多孔的孔径尺寸大于第一层非晶碳上的多孔的孔径尺寸。

其中，所述底电极为惰性金属，在电场作用下不会氧化，不能在介质层中迁移。

其中，所述顶电极为活性金属，在电场作用下，易氧化，能在介质层中发生迁移。

其中，所述第一层多孔非晶碳薄膜，厚度为5-20nm，生长过程中，通入氮氩混合气氛，氮气含量占氮氩混合气体的0.5％-5％，从而能实现退火后孔径尺寸为3-30nm。

其中，所述第二层多孔非晶碳薄膜，厚度为5-40nm，生长过程中，通入氮氩混合气氛，氮气含量占氮氩混合气体的30％-60％，从而能实现退火后孔径尺寸为50-300nm。

本发明的一种双层多孔结构非晶碳材料的阻变存储器的制备方法，有以下步骤：

步骤一：对惰性金属衬底进行清洗，依次倒入丙酮、乙醇、二次去离子水淹没惰性金属衬底，分别在超声清洗机里面超声8-15分钟；

步骤二：在清洗后的惰性金属衬底上，使用磁控溅射的方法，即在高真空通入氩气或氩氮混合气体，在柱状靶或平面靶的阴极和镀膜室壁形成的阳极之间施加几百千伏直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离并加速气体离子轰击阴极，溅射出原子落在阳极上，控制氮气流量占氩氮混合气体流量的比例为0.5％—5％，生长氮掺杂的第一层多孔非晶碳薄膜，厚度在5～20nm之间，生长压强为1Pa，在室温环境生长；