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CN103824937B - 一种高速纳米两端非易失性存储器及其制备方法 - Google Patents

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王莉
吴春艳
朱志峰
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Abstract

本发明公开了一种高速纳米两端非易失性存储器及其制备方法,其特征是:存储器是在绝缘衬底上分布有p型掺杂一维纳米材料、石墨烯电极和金属电极,石墨烯电极和金属电极通过p型掺杂一维纳米材料连通;p型掺杂一维纳米材料为p型掺杂ZnS一维纳米材料或p型掺杂ZnSe一维纳米材料;金属电极为Cu电极或Ag电极。本发明的高速纳米两端非易失性存储器制备方法简单、易于控制、成品率高、便于应用于大规模的集成,且本发明所制备的存储器具有编程电压低、读/写速度快和保持时间长等优异特性,将在开发低功耗、高速、高集成度存储器中具有潜在的应用前景。

Description

一种高速纳米两端非易失性存储器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域,具体涉及一种高速纳米两端非易失性存储器及其制备方法。
背景技术
半导体存储器在微电子学研究中是一重要分支领域,起着对信息进行存储与处理的功能,广泛地应用于各种微电子设备中。其中非易失存储器在半导体行业中扮演着越来越重要的角色,发挥着重大的作用。随着数字高科技的飞速发展,对存储器的性能也提出了更高的要求,如高速度、高密度、低功耗、长寿命和更小的尺寸等。尤其是当器件的特征尺寸减小,传统浮栅结构存储器件的读写速度与可靠性的矛盾以及栅介质漏电等问题,在很大程度上限制了传统存储器的进一步发展。因此,开发一种全新的信息存取技术引起了研究者的广泛兴趣。当前一维半导体纳米材料的应用研究中,构建高性能非易失性存储器是研究热点之一。检索到的报道主要集中在构建纳米场效应管上[W.Y.Fu,Z.Xu,X.D.Bai,C.Z.Gu,E.G.Wang,NanoLett.2009,9,921;M.Rinkio,A.Johansson,G.S.Paraoanu,P.Torma,Nano Lett.2009,9,643;J.I.Sohn,S.S.Choi,S.M.Morris,J.S.Bendall,H.J.Coles,W.K.Hong,G.Jo,T.Lee,M.E.Welland,Nano Lett.2010,10,4316.],总结起来主要是通过控制栅极来调整和保持俘获电荷在存储介质中而实现电荷存储特性的,常用的存储介质有金属纳米晶、铁电薄膜和高k绝缘材料等。由于纳米场效应管存储器具有较大尺寸、难于控制阈值电压漂移、高的编程电压、较长的读/写时间及制备过程复杂而难于重复等缺点严重阻碍了其应用。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处,提供一种高速纳米两端非易失性存储器及其制备方法,以期能够实现制备结构简单、尺寸小、编程电压低、读/写速度高的纳米非易失性存储器。
本发明为解决技术问题,采用如下技术方案:
本发明高速纳米两端非易失性存储器,其特点是:所述存储器是在绝缘衬底上分布有p型掺杂一维纳米材料、石墨烯电极和金属电极,所述石墨烯电极和金属电极通过p型掺杂一维纳米材料连通;所述p型掺杂一维纳米材料为p型掺杂ZnS一维纳米材料或p型掺杂ZnSe一维纳米材料;所述金属电极为Cu电极或Ag电极。
本发明的存储器,其特点也在于:所述绝缘衬底为石英玻璃、表面覆有氧化硅层的硅片或表面覆有氮化硅层的硅片。
所述p型掺杂ZnS一维纳米材料为Ag掺杂ZnS一维纳米材料或Cu掺杂ZnS一维纳米材料;所述p型掺杂ZnSe一维纳米材料为Ag掺杂ZnSe一维纳米材料或Cu掺杂ZnSe一维纳米材料。
所述金属电极(4)的厚度为50-100nm。经大量实验证实,电极厚度过薄难于获得优异的器件性能,过厚不利于器件集成,50-100nm为最优选择。
本发明高速纳米两端非易失性存储器的制备方法,其特点是按如下步骤进行:
a、将p型掺杂一维纳米材料分散在绝缘衬底上;
b、通过光刻法在完成步骤a的绝缘衬底上光刻金属电极的电极图形,然后通过磁控溅射法或电子束蒸发法在所述金属电极的电极图形区域制备出金属电极;
c、通过光刻法在完成步骤b的绝缘衬底上光刻石墨烯电极的电极图形,然后将石墨烯转移到石墨烯电极的电极图形区域;
d、将完成步骤c的绝缘衬底在N2氛围下或Ar氛围下进行退火,退火温度300~500°C,退火时间5~15分钟。经多次试验证实,压强对退火效果基本无影响,一般为便于实施,可以选择0.01MPa~0.09MPa
本发明的高速纳米两端非易失性存储器是利用界面反应,在Cu或Ag电极材料与纳米材料之间形成纳米级界面层,这些界面层在编程信号的作用下,产生导电丝或导电丝断开实现器件高低阻的变化。
与已有技术相比,本发明有益效果体现在:
1、本发明的高速纳米两端非易失性存储器制备方法简单、易于控制、成品率高、便于应用于大规模的集成,且本发明所制备的存储器具有编程电压低、读/写速度快和保持时间长等优异特性,将在开发低功耗、高速、高集成度存储器中具有潜在的应用前景;
2、本发明控制Cu或Ag电极材料与纳米材料间形成的纳米界面层(如Cu2S或Ag2S等),实现了两端非易失性存储器的制备,改善了传统纳米场效应管存储器尺寸大、难于控制阈值电压漂移、编程电压高、读/写时间长及制备过程复杂等缺点。
附图说明
图1为本发明高速纳米两端非易失性存储器的结构示意图;
图2为实施例1所制备的存储器电流-电压曲线;
图3为实施例1所制备的存储器开/关状态电流-循环次数曲线;
图4为实施例1所制备的存储器开/关状态时间保持曲线;
图5为实施例2所制备的存储器电流-电压曲线;
图6为实施例2所制备的存储器开/关状态电流-循环次数曲线;
图7为实施例2所制备的存储器开/关状态时间保持曲线;
图8为实施例3所制备的存储器电流-电压曲线;
图9为实施例3所制备的存储器开/关状态电流-循环次数曲线;
图10为实施例3所制备的存储器开/关状态时间保持曲线;
图中标号:1绝缘衬底;2p型掺杂一维纳米材料;3石墨烯电极;4金属电极。
具体实施例
如图1所示,高速纳米两端非易失性存储器的结构为:在绝缘衬底1上分布有p型掺杂一维纳米材料2、石墨烯电极3和金属电极4,石墨烯电极3和金属电极4通过p型掺杂一维纳米材料2连通;p型掺杂一维纳米材料2为p型掺杂ZnS一维纳米材料或p型掺杂ZnSe一维纳米材料;金属电极4为Cu电极或Ag电极。
实施例1
本实施例以Cu掺杂的p-型ZnS纳米带作为p型掺杂一维纳米材料2、以Cu电极为金属电极4、以表面长有厚度为300nm氧化硅层的硅片为绝缘衬底1,制备了p-型ZnS纳米带/Cu电极高速两端非易失性存储器,具体步骤如下:
(1)室温下,将表面长有厚度为300nm氧化硅的硅片超声清洗干净后,用酒精作为分散液,将化学气相合成的p-型掺杂ZnS纳米带加入分散液,超声震荡使纳米带均匀悬浮在分散液中;并将含有ZnS纳米带的分散液旋涂在干净的长有氧化硅层的硅片上;
(2)在涂有ZnS纳米带的硅片上旋涂光刻胶,并光刻出金属电极(4)的电极图形;
(3)通过磁控溅射法在光刻的金属电极4的电极图形区域制备出一层Cu电极,厚度为50nm;
(4)采用二次光刻方法在完成步骤b的绝缘衬底上光刻石墨烯电极3的电极图形,然后将石墨烯转移到石墨烯电极3的电极图形区域;
(5)将完成步骤(4)的绝缘衬底在Ar氛围下进行退火,退火温度400°C,退火时间10分钟,获得p-型ZnS纳米带/Cu电极高速两端非易失性存储器。
为表征所制备的p-型ZnS纳米带/Cu电极高速两端非易失性存储器,本实施例利用KEITHLEY4200-SCS和Keithley3401信号发生器测试了存储器的存储特性,图2为器件的I-V特性,发现回滞现象较为明显;图3和4为编程电压为±2V,编程时间为100ns下的测试结果,从中可以明显看出在较低的编程电压下,可以实现重复稳定的快速读/写操作,开关状态电流比大于106,保持时间长于105秒。
实施例2
本实施例以Ag掺杂的p-型ZnS纳米带作为p型掺杂一维纳米材料2、以Ag电极为金属电极4、以石英玻璃为绝缘衬底1,制备了p-型ZnS纳米带/Ag电极高速两端非易失性存储器,具体步骤如下:
(1)室温下,将石英玻璃超声清洗干净后,用酒精作为分散液,将化学气相合成的p-型掺杂ZnS纳米带加入分散液,超声震荡使纳米带均匀悬浮在分散液中;并将含有ZnS纳米带的分散液旋涂在干净的石英玻璃;
(2)在涂有ZnS纳米带的硅片上旋涂光刻胶,并光刻出金属电极4的电极图形;
(3)通过磁控溅射法在光刻的金属电极4的电极图形区域制备出一层Ag电极,厚度为60nm;
(4)采用二次光刻方法在完成步骤b的绝缘衬底上光刻石墨烯电极3的电极图形,然后将石墨烯转移到石墨烯电极3的电极图形区域;
(5)将完成步骤(4)的绝缘衬底在N2氛围下进行退火,退火温度500°C,退火时间15分钟,获得p-型ZnS纳米带/Ag电极高速两端非易失性存储器。
为表征所制备的p-型ZnS纳米带/Ag电极高速两端非易失性存储器,本实施例利用KEITHLEY4200-SCS和Keithley3401信号发生器测试存储器的存储特性,图5为器件的I-V特性,发现回滞现象较为明显;图6和7为编程电压为±2V,编程时间为100ns下的测试结果,从中可以明显看出在较低的编程电压下,可以实现重复稳定的快速读/写操作,开关状态电流比大于106,保持时间长于105秒。
实施例3
本实施例以Ag掺杂的p-型ZnSe纳米带作为p型掺杂一维纳米材料2、以Cu电极为金属电极4、以表面长有厚度为300nm氮化硅层的硅片为绝缘衬底1,制备了p-型ZnSe纳米带/Cu电极高速两端非易失性存储器,具体步骤如下:
(1)室温下,将表面长有厚度为300nm氮化硅的硅片超声清洗干净后,用酒精作为分散液,将化学气相合成的p-型掺杂ZnSe纳米带加入分散液,超声震荡使纳米带均匀悬浮在分散液中;并将含有ZnSe纳米带的分散液旋涂在干净的长有氧化硅的硅片上;
(2)在涂有ZnSe纳米带的硅片上旋涂光刻胶,并光刻出金属电极4的电极图形;
(3)通过磁控溅射法在光刻的金属电极4的电极图形区域制备出一层Cu电极,厚度为50nm;
(4)采用二次光刻方法在完成步骤b的绝缘衬底上光刻石墨烯电极3的电极图形,然后将石墨烯转移到石墨烯电极3的电极图形区域;
(5)将完成步骤(4)的绝缘衬底在Ar氛围下进行退火,退火温度300°C,退火时间5分钟,获得p-型ZnSe纳米带/Cu电极高速两端非易失性存储器。
为表征所制备的p-型ZnSe纳米带/Cu电极高速两端非易失性存储器,本实施例利用KEITHLEY4200-SCS和Keithley3401信号发生器测试存储器的存储特性,图8为器件的I-V特性,发现回滞现象较为明显;图9和10为编程电压为±2V,编程时间为100ns下的测试结果,从中可以明显看出在较低的编程电压下,可以实现重复稳定的快速读/写操作,开关状态电流比大于106,保持时间长于105秒。

Claims (4)

1.一种高速纳米两端非易失性存储器,其特征是:所述存储器是在绝缘衬底(1)上分布有p型掺杂一维纳米材料(2)、石墨烯电极(3)和金属电极(4),所述石墨烯电极(3)和金属电极(4)通过p型掺杂一维纳米材料(2)连通;所述p型掺杂一维纳米材料(2)为p型掺杂ZnS一维纳米材料或p型掺杂ZnSe一维纳米材料;所述金属电极(4)为Cu电极或Ag电极;
所述p型掺杂ZnS一维纳米材料为Ag掺杂ZnS一维纳米材料或Cu掺杂ZnS一维纳米材料;所述p型掺杂ZnSe一维纳米材料为Ag掺杂ZnSe一维纳米材料或Cu掺杂ZnSe一维纳米材料。
2.根据权利要求1所述的存储器,其特征是:所述绝缘衬底(1)为石英玻璃、表面覆有氧化硅层的硅片或表面覆有氮化硅层的硅片。
3.根据权利要求1所述的存储器,其特征是:所述金属电极(4)的厚度为50-100nm。
4.一种权利要求1、2或3所述的高速纳米两端非易失性存储器的制备方法,其特征是按如下步骤进行:
a、将p型掺杂一维纳米材料(2)分散在绝缘衬底(1)上;
b、通过光刻法在完成步骤a的绝缘衬底(1)上光刻金属电极(4)的电极图形,然后通过磁控溅射法或电子束蒸发法在所述金属电极(4)的电极图形区域制备出金属电极(4);
c、通过光刻法在完成步骤b的绝缘衬底(1)上光刻石墨烯电极(3)的电极图形,然后将石墨烯转移到石墨烯电极(3)的电极图形区域;
d、将完成步骤c的绝缘衬底(1)在N2氛围下或Ar氛围下进行退火,退火温度300~500℃,退火时间5~15分钟。
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