CN105514267B - 一种基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器及其制备方法 - Google Patents
一种基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器，为由衬底、底电极、顶电极以及位于底电极和顶电极之间的功能层组成的叠加结构，所述功能层为非晶态SiC薄膜，所述非晶态SiC薄膜的厚度为10nm～30nm。本发明的制备方法，包括以下步骤：(1)在衬底上制备底电极；(2)在所述底电极上通过射频磁控溅射方法制备非晶态SiC薄膜；(3)在所述非晶态SiC薄膜上通过金属掩模板用直流磁控溅射方法制备顶电极，即得到所述低功耗忆阻器。本发明的忆阻器操作电压、操作电流小，从而降低了器件的功耗；本发明的制备方法在室温下进行可降低能耗，易于与其他工艺兼容。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，尤其涉及一种基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器及其制备方法。
背景技术
忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四种电路元件，利用其独特的电阻记忆功能，忆阻器在很多领域有着重要应用。忆阻器的基本原理在于，功能层材料的电阻在外加电压的激励下可在高阻态(“OFF”状态)和低阻态(“ON”状态)之间实现可逆转变，从而实现数据存储功能。半导体、绝缘体、固态电解质等各种各样的材料体系中都发现了电阻转变效应，多种多样的材料构建了不同的忆阻器模型，并提出了多种电阻转变机制。目前科学界将忆阻器的阻变机理归纳为离子效应、电子效应和热效应三类，其中离子效应又可分为阴离子效应和阳离子效应。
阳离子效应是基于固体电解质或类固体电解质中活性金属离子的物理迁移和电化学反应。当正电压施加于活性金属电极上时，电解质中源于活性电极的金属离子将在惰性电极处被还原成金属原子。随着被还原离子的不断增多，在两个电极之间就形成了一个由惰性电极连向活性电极的金属导电细丝，这个细丝显著地降低了器件电阻，这就完成了一个“写”的过程。擦除这个器件与写入类似，在活性电极上施加负电压，金属离子将从细丝离开回到电解质中去，并最终回到活性电极上，这样就使导电细丝断开，重新回到了高阻态。
一个基于阳离子效应的忆阻器件的典型特点是需要一个具有电化学活性的金属电极，如Cu、Ag等(或含有活性金属的合金电极)，而对电极则一般为电化学惰性，常用的材料有Pt、Au、W等。功能层材料在早期主要采用传统电解质，包括硫化物、碘化物、硒化物、碲化物以及H2O等。现在，非传统电解质类型的材料也开始用于基于阳离子效应的忆阻器件，包括二元氧化物、非晶态C等。在硫族化物等传统电解质中，活性金属离子具有很高的迁移率，但是在非传统固态电解质中金属活性离子的迁移率非常低，导致形成金属导电细丝需要较大的操作电压、操作电流，不利于忆阻器功耗的降低。另外，现有技术中忆阻器中的薄膜一般采用常规的镀膜方法如磁控溅射、电子束蒸发制备，未对制备工艺进行调节，导致制备的忆阻器的功耗较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作电压低、操作电流低的基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器，为由衬底、底电极、顶电极以及位于底电极和顶电极之间的功能层组成的叠加结构，所述功能层为非晶态SiC薄膜，所述非晶态SiC薄膜为多孔隙结构，非晶态SiC薄膜的厚度为10nm～30nm。非晶态SiC由于具有良好的热稳定性和循环性能，以及Cu、Ag等在其中具有的低扩散速率等特性，采用低聚集密度、多孔隙结构的薄膜，有利于忆阻器功耗的降低；采用非晶态SiC薄膜，有利于保证忆阻器循环稳定性。
上述的低功耗忆阻器，优选的，所述顶电极为点状金属Ag薄膜，Ag薄膜的厚度为50nm～200nm。选取点状金属Ag薄膜，避免与底电极、功能层相互间的串扰，满足忆阻器高密度存储的要求。
上述的低功耗忆阻器，优选的，所述底电极为金属Pt薄膜，Pt薄膜的厚度为100nm～300nm。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的低功耗忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上制备底电极；
(2)在所述底电极上通过射频磁控溅射方法制备非晶态SiC薄膜；
(3)在所述非晶态SiC薄膜层上通过金属掩模板用直流磁控溅射方法制备顶电极，即得到所述低功耗忆阻器。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，射频磁控溅射的工艺条件为：以SiC陶瓷靶为溅射靶材，腔室压力小于5×10-4Pa(尽可能减少溅射腔室中其他分子对阻变层薄膜制备带来的干扰)，溅射温度为20℃～50℃，溅射压力为1.5Pa～5.0Pa，溅射功率为100W～200W，氩气流量为30sccm～50sccm。射频磁控溅射压力选自1.5Pa～5.0Pa，溅射时沉积室中主要存在Ar分子和具有一定能量的溅射原子，在溅射原子从靶材被碰撞出至入射到基片成膜的过程中，会与Ar分子发生相互碰撞，从而改变自身能量和方向。当溅射气压大时，溅射原子与Ar分子发生碰撞的次数增多，导致溅射原子的平均自由程减小，入射到基片上原子的动能显著降低，所以薄膜变疏松，聚集密度低，保证了非晶态SiC薄膜呈低聚集密度状态，使忆阻器具备低功耗优势。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，直流磁控溅射的工艺条件为：以金属Ag靶为溅射靶材，腔室压力小于1×10-3Pa，溅射温度为20℃～50℃，溅射压力为1.0Pa～2.0Pa，溅射功率为10W～20W，溅射气体氩气流量为20sccm～40sccm。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，金属掩模板的孔径为50μm～100μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的低功耗忆阻器，其功能层非晶态SiC薄膜中的SiC聚集密度小，非晶态SiC薄膜中存在的孔隙较多，金属活性Ag+的传输通道较多，Ag+迁移率增加，金属导电细丝更容易形成和断开，导致操作电压、操作电流变小，从而降低了器件的功耗。本发明的低功耗忆阻器，其功能层非晶态SiC薄膜的厚度为10nm～30nm，既避免了忆阻器中的功能层容易被击穿的问题，又保证了忆阻器满足低功耗的优势。
本发明通过对SiC薄膜制备工艺进行优化调节，制备出了低聚集密度的非晶态SiC薄膜，采用低聚集密度的非晶态SiC作为忆阻器的功能层，可有效解决基于阳离子效应的忆阻器存在的高功耗问题。SiC聚集密度小时，功能层薄膜中存在的孔隙较多，金属活性Ag+的传输通道较多，Ag+迁移率增加，金属导电细丝更容易形成和断开，导致操作电压、操作电流变小，从而降低了器件的功耗。采用低聚集密度的非晶态SiC作为忆阻器的功能层，可有效解决基于阳离子效应的忆阻器存在的高功耗问题。
本发明的忆阻器在室温下制备可降低能耗，易于与其他工艺兼容。
附图说明
图1为本发明基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器结构示意图。
图2为本发明实施例1中基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器的典型电流-电压特征曲线。
图3为本发明实施例1中基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器的连续30次电阻开关过程的SET电压和RESET电压分布图。
图例说明：1、硅衬底；2、SiO2绝缘层；3、Ti粘附层；4、底电极；5、非晶态SiC薄膜；6、顶电极。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
实施例1：
一种本发明的基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器，其结构如图1所示，为由衬底(由硅衬底1、SiO2绝缘层2和Ti粘附层3组成)、底电极4、顶电极6以及位于底电极4和顶电极6之间的功能层形成的叠加结构，功能层为厚度为10nm的多孔隙结构非晶态SiC薄膜5，顶电极6为点状金属Ag薄膜，Ag薄膜的厚度为50nm；底电极4为金属Pt薄膜，Pt薄膜的厚度为100nm。
本实施例的基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
(1)先在硅衬底1上制备出SiO2绝缘层2，再在SiO2绝缘层2上制备出Ti粘附层3，再在Ti粘附层3上制备出厚度为100nm的Pt薄膜(底电极4)；
(2)在底电极4上通过射频磁控溅射方法制备10nm厚的非晶态SiC薄膜5，射频磁控溅射工艺条件为：以直径60mm、厚度4mm的SiC陶瓷靶为溅射靶材，腔室压力小于5×10-4Pa，溅射温度为20℃，溅射压力为1.5Pa，溅射功率为100W，氩气流量为30sccm；
(3)在非晶态SiC薄膜5上通过金属掩模板(孔径为50μm)采用直流磁控溅射方法制备50nm厚的点状Ag薄膜作为顶电极6，得到低功耗忆阻器；其中直流磁控溅射工艺条件为：以直径60mm、厚度4mm的金属Ag靶为溅射靶材，腔室压力小于1×10-3Pa，溅射温度为20℃，溅射压力为1.0Pa，溅射功率为10W，溅射气体氩气流量为20sccm。
利用半导体参数分析仪研究本实施例制备的忆阻器的电阻开关特性，如图2，该忆阻器的操作电压为0.4V、操作电流为80pA。图3为该忆阻器的连续30次电阻开关过程的SET电压和RESET电压分布。如图3所示，SET电压和RESET电压在30次循环过程中分布较窄，表明该忆阻器具有一个较为稳定的SET和RESET过程，SET电压和RESET电压的平均值分别为0.4V和-0.1V。
实施例2：
一种本发明的基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器，其结构如图1所示，为由衬底(由硅衬底1、SiO2绝缘层2和Ti粘附层3组成)、底电极4、顶电极6以及位于底电极4和顶电极6之间的功能层形成的叠加结构，功能层为厚度为30nm的多孔隙结构非晶态SiC薄膜5，顶电极6为点状金属Ag薄膜，Ag薄膜的厚度为200nm；底电极4为Pt金属薄膜，Pt薄膜的厚度为300nm。
本实施例的基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
(1)先在硅衬底1上制备出SiO2绝缘层2，再在SiO2绝缘层2上制备出Ti粘附层3，再在Ti粘附层3上制备出厚度为300nm的Pt薄膜(底电极4)；
(2)在底电极4上通过射频磁控溅射方法制备30nm厚的非晶态SiC薄膜5，射频磁控溅射工艺条件为：以直径60mm、厚度4mm的SiC陶瓷靶为溅射靶材，腔室压力小于5×10-4Pa，溅射温度为20℃，溅射压力为5.0Pa，溅射功率为200W，氩气流量为50sccm；
(3)在非晶态SiC薄膜5上通过金属掩模板(孔径为100μm)采用直流磁控溅射方法制备200nm厚的Ag作为顶电极6，得到低功耗忆阻器；其中直流磁控溅射工艺条件为：以直径60mm、厚度4mm的金属Ag靶为溅射靶材，腔室压力小于1×10-3Pa，溅射温度为20℃，溅射压力为2.0Pa，溅射功率为20W，溅射气体氩气流量为40sccm。
利用半导体参数分析仪进行电学特性测试，结果与实施例1接近。
本发明采用非晶态SiC薄膜作为功能层，由于非晶态SiC具有良好的热稳定性和循环性能，以及Cu、Ag等在其中具有的低扩散速率等特性，非常适用于作为非传统类型的电解质用于基于阳离子效应的忆阻器件中的功能层。采用低聚集密度、多孔隙结构的薄膜，有利于忆阻器功耗的降低；采用非晶态SiC，有利于保证忆阻器循环稳定性。因此，基于非晶态SiC薄膜的忆阻器，既具有低功耗的优势，还保证了忆阻器的稳定性能。
本发明通过控制制备非晶态SiC薄膜时的射频磁控溅射压力为1.5Pa～5.0Pa，溅射压力低于1.5Pa时，溅射原子与氩气的碰撞次数少，能量较大，所形成的薄膜致密，会导致忆阻器操作电压增加。当溅射压力高于5Pa时，溅射原子的平均自由程急剧减小，入射到基片上原子的动能急剧降低，薄膜会变得更加疏松，这时很容易导致薄膜击穿，所以为保证本发明中忆阻器的性能，经过无数次的研究以及论证，最终选择了溅射压力为1.5Pa～5.0Pa，选择这样的溅射压力制备的薄膜的结构变得疏松，结合10nm～30nm的功能层厚度，使忆阻器具有低功耗的优势。
Claims (2)
1.一种基于非晶态SiC薄膜的低功耗忆阻器的制备方法，其特征在于，所述低功耗忆阻器，为由衬底、底电极、顶电极以及位于底电极和顶电极之间的功能层组成的叠加结构，所述功能层为非晶态SiC薄膜，所述非晶态SiC薄膜为多孔隙结构，所述非晶态SiC薄膜的厚度为10nm～30nm；所述顶电极为点状金属Ag薄膜；所述底电极为金属Pt薄膜；所述制备方法具体包括以下步骤：
(1)在衬底上制备底电极；
(2)在所述底电极上通过射频磁控溅射方法制备非晶态SiC薄膜；其中，射频磁控溅射的工艺条件为：以SiC陶瓷靶为溅射靶材，腔室压力小于5×10-4Pa，溅射温度为20℃～50℃，溅射压力为1.5Pa～5.0Pa，溅射功率为100W～200W，氩气流量为30sccm～50sccm；
(3)在所述非晶态SiC薄膜上通过金属掩模板用直流磁控溅射方法制备顶电极，即得到所述低功耗忆阻器；其中，直流磁控溅射的工艺条件为：以金属Ag靶为溅射靶材，腔室压力小于1×10-3Pa，溅射温度为20℃～50℃，溅射压力为1.0Pa～2.0Pa，溅射功率为10W～20W，溅射气体氩气流量为20sccm～40sccm。
2.如权利要求1所述的制备方法，所述步骤(3)中，金属掩模板的孔径为50μm～100μm。
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