一种基于外延氧化镍薄膜异质结的多级存储单元及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体集成电路及其制造技术领域，具体涉及一种基于外延氧化镍薄膜异质结的多级存储单元及其制备方法。
【背景技术】
[0002]信息技术的高速发展需要高速度、高密度以及低功耗的不挥发性存储器，研究开发新型不挥发性存储器近年来受到了持续的关注。电荷与自旋是信息存储所利用的两大电子属性，而大多将两者单独应用且存在各自的弊端。
[0003]闪存利用电荷存储机制，其操作电压高、编程速度慢，尤其是半导体特征尺寸进入至Ij22nm时代后还将面临物理极限；磁存储器利用磁场对磁性薄膜读写完成信息存储，但写入速度慢，使用寿命短;铁电存储器的信息读取是通过探测极化反转的电流信号，其读取电压必须高于矫顽电压属破坏性读出，尤其是存储介质尺寸缩小到亚微米尺度可能会导致存储电荷信号微弱难以读取。
[0004]近年来科学家注意到，如果将电荷与自旋两大属性有机融合，利用电场写入快、磁场读取快的各自优势可望实现新型“电写磁读”存储器，于是人们在稀磁半导体、多铁磁电耦合等领域开展了多年的研究，但是依然存在诸多瓶颈问题。最新研究还发现，利用与磁性氧化物薄膜阻变相关联的磁调制，为电荷与自旋研究提供了新的途径，有望成为在多方面满足不挥发性存储器需求的最具竞争力的解决方案。
[0005]因此，如何选择阻变介质层材料，得到阻变性能良好，阻变性能稳定的阻变存储器，探索将电荷与自旋两大自由度相结合的多级存储器，是科技工作者研究的重要课题，将极大地拓宽阻变存储器的应用。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于外延氧化镍薄膜异质结的多级存储单元及其制备方法，所述外延氧化镍薄膜异质结可以实现电阻与磁性的集成，达到多级存储的目的。
[0007]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0008]1.—种基于外延氧化镍薄膜异质结的多级存储单元，所述多级存储单元包括N1/Nb:SrTi03异质结构层，作为上电极的Pt金属薄膜，作为下电极的金属In。
[0009]进一步，所述N1/Nb: SrT13异质结构层由Nb: SrT13基片和N1薄膜构成，所述Nb:SrT13基片厚度为0.2-0.5mm，所述N1薄膜厚度为100?200nm。
[0010]进一步，所述Pt金属薄膜厚度为100?200nm，所述金属In厚度为200nm。
[0011 ] 进一步，所述Nb: SrT13基片为0.7 %Nb掺杂的SrT13单晶基片。
[0012]2、所述基于外延氧化镍薄膜异质结的多级存储单元的制备方法，其特征在于，步骤如下:
[0013]l)Nb: SrT13基片清理:分别用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗Nb: SrT13基片表面，再用氮气吹干待用；
[0014]2)制取N1/Nb: SrT13异质结构:采用脉冲激光沉积法在Nb: SrT13基片沉积N1薄膜制备N1/Nb = SrT13异质结构，所述N1薄膜厚度为100-200nm;
[0015]3)制作电极:采用直流磁控溅射沉积法在经步骤2)制备完成的N1/Nb: SrT13结构中N1薄膜面派射金属Pt作为上电极，在Nb: SrTi03基片面压金属In作为下电极。
[0016]进一步，所述步骤2)依次按如下步骤实现:
[0017]a、将N1陶瓷靶材装入靶台中，将Nb: SrT13基片安装在衬底台上，靶材距离基片为5cm;
[0018]b、将沉积室本底真空抽至I X 10—5Pa，利用基片加热台将Nb = SrT13基片升温至650°C，通入氧气调节沉积室内的动态平衡气压为10?20Pa，调整激光器能量为260-280Mj，激光频率为3-5Hz，调整光路聚焦到N1陶瓷靶材上开始沉积制取N1/Nb: SrT13结构；
[0019]C、沉积过程完成后，在氧气气氛下对N1/Nb = SrT13结构进行降温，降温速率为3-5°C/分钟，冷却到室温后取出，即制得N1/Nb: SrT13结构。
[°02°] 进一步，所述步骤I)按如下方式进行:把Nb: SrTi03基片放入丙酮中用超声波清洗器清洗10-15分钟，后用无水乙醇和去离子水清洗Nb: SrT13基片，去除Nb: SrT13基片表面吸附的灰尘和碳粉颗粒，使Nb: SrT13基片表面平整而光滑，最后用氮气吹干待用。
[0021]本发明的有益效果在于:
[0022]1、本发明所制备的基于外延氧化镍薄膜异质结的多级存储单元具有体积小、结构简单、非挥发、可快速读写、工作电压低、低能耗、无运动部件、非破坏性读出等优点。
[0023]2、性能参数稳定，疲劳性测试结果表明所制备的多级存储单元经过大于50次的抗疲劳性循环测试之后，仍然能在两种阻态之间转换，电阻值没有明显的变化，从而表明了本发明所制备的多级存储单元具有较强的抗疲劳性能，在高阻态和低阻态都具有较好的保持特性。另外电压-电流特性测试表明本发明的多级存储单元高低阻态电阻/阻抗值的比大于105，同时，利用阻变可调控外延N1异质结薄膜的磁性，即在同一存储器件中实现了电阻与磁性的电场调控，可达到多级存储的目的。
【附图说明】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0025]图1是异质结构层的XRD衍射图；
[0026]图2为测试本多级存储单元采用的电路图；
[0027]图3是本多级存储单元的电压-电流特性测试图，插图为测试示意图；
[0028]图4是本多级存储单元的多级阻变效应测试一；
[0029]图5是本多级存储单元的多级阻变效应测试二；
[0030]图6是本多级存储单元的抗疲劳特性测试图；
[0031 ]图7是本多级存储单元的保持特性测试图；
[0032]图8是不同阻变状态下的磁性测试图。
【具体实施方式】
[0033]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0034]下述所用到的Nb= SrT13基片购自合肥科晶材料有限公司，所述脉冲激光沉积系统所用激光器为KrF准分子激光器，波长248nm，Lambda Physik COMPEX 205，沉积室是北京科学仪器有限公司生产的PLD-500系统，直流磁控溅射系统是沈阳科学仪器有限公司生产。
[0035]实施例1
[0036]制备基于外延氧化镍薄膜异质结的多级存储单元，具体步骤如下:
[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声波清洗器清洗10分钟，后用无水乙醇和去离子水清洗Nb: SrT13基片，去除Nb:SrT13基片表面吸附的灰尘和碳粉颗粒，使Nb: SrT13基片表面平整而光滑，最后用氮气吹干待用；
[0038]2)制取N1/Nb = SrT13异质结构:在脉冲激光沉积制膜系统的沉积室中，将N1陶瓷革El材装入革El台中，将所述Nb: SrTi03基片安装在衬底台上，革El材距离基片为5cm，将沉积室抽真空至I X 10—5Pa，同时将Nb = SrT13基片升温至650°C，然后通入氧气调节沉积室内的动态平衡气压为10Pa，调整激光能量为280MJ，其光路聚焦到N1陶瓷靶材上，所用激光频率为5Hz，在所述Nb: SrT13基片上沉积N1阻变存储层，沉积厚度为200nm，然后在氧气气氛下对所述N1阻变存储层进行降温，降温速率为5°C/分钟，冷却到室温后取出，制得N1/Nb:SrT13异质结构；
[0039]3)制作上电极:在直流磁控溅射沉积制膜系统的沉积室中，将上电极Pt金属靶材安装在沉积室的靶台上，将步骤2)制备的N1/Nb: SrT13异质结构安装在衬底台上，然后抽真空至I X 10—4Pa,然后通入氩气使生长室内的动态平衡气压为3Pa，在所制得N1/Nb:SrTi03异质结构的N1阻变存储层上利用孔径0.2mm掩膜板派射200nm厚的Pt金属薄膜做上电极，形成Pt/Ni0/Nb: SrT13异质结构层；
[0040]4)制作下电极:在步骤(3)制得的Pt/Ni0/Nb: SrT13异质结构的Nb: SrT13背面压金属In做下电极，即得到Pt/Ni0/Nb:SrTi03/In多级存储单元。
[0041 ] 实施例2
[0042]制备基于外延氧化镍薄膜异质结的多级存储单元，具体步骤如下:
[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声波清洗器清洗15分钟，后用无水乙醇和去离子水清洗Nb: SrT13基片，去除Nb:SrT13基片表面吸附的灰尘和碳粉颗粒，使Nb: SrT13基片表面平整而光滑，最后用氮气吹干待用；
[0044]2)制取N1/Nb = SrT13异质结构:在脉冲激光沉积制膜系统的沉积室中，将N1陶瓷革El材装入革El台中，将所述Nb: SrTi03基片安装在衬底台上，革El材距离基片为5cm，将沉积室抽真空至I X 10—5Pa，同时将Nb = SrT13基片升温至650°C，然后通入氧气调