CN105679840A - 一种新型贴片式忆容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型贴片式忆容器，包括自下至上依次设置的硅衬底、第一金属薄膜、第一氧化物薄膜、第二氧化物薄膜和第二金属薄膜，其中，所述第一金属包括Au、Cu、Pt、Ag、Co中的一种，所述第一氧化物包括TiO2、HfO2、TaO2、SrTi1-xNbxO3中的一种，0<x<0.01，所述第二氧化物为ABO3型钙钛矿氧化物，其中，A为Dy、Gd、Tm、Lu、Tb中的一种或多种金属离子，B为Fe或Mn，第二金属为Au或Pt；在所述第一金属薄膜和第二金属薄膜上引出电极。本发明还公开了一种制备上述新型贴片式忆容器的方法。本发明结构简单、制备方便、体积小，适合三维堆垛结构中，具有高集成度的特点。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件领域，具体是通过电压调控硅衬底上的金属/氧化物异质结而实现非易失性电容开关比例超过1000倍的新型贴片式忆容器。
背景技术
忆容器是指在某种外界激励下电容发生非挥发性改变的电子器件。这种器件的用途非常广泛，既可用于信息存储、可重构输电线路，又可在人工智能中用于模拟学习、自适应和自发行为。现有的忆容器技术主要是通过某种装置来改变电容器结构而得到电容的非挥发性改变，例如通过改变平行板电容器两个极板间的距离或者改变极板截面积等方式来实现。这样的忆容器结构复杂、体积大、电容可调节范围小、控制不方便，难以在集成电路或一些精密设备中使用。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是通过基于硅衬底上的金属/氧化物异质结结构提供一种具有电容开关比超过1000倍的新型贴片式忆容器及其制备方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种新型贴片式忆容器，包括自下至上依次设置的硅衬底、第一金属薄膜、第一氧化物薄膜、第二氧化物薄膜和第二金属薄膜，其中，所述第一金属包括Au、Cu、Pt、Ag、Co中的一种，所述第一氧化物包括TiO2、HfO2、TaO2、SrTi1-xNbxO3中的一种，0<x<0.01，所述第二氧化物为ABO3型钙钛矿氧化物，其中，A为Dy、Gd、Tm、Lu、Tb中的一种或多种金属离子，B为Fe或Mn，第二金属为Au或Pt；在所述第一金属薄膜和第二金属薄膜上引出电极。
本发明采用的第二种技术方案为一种制备如上所述新型贴片式忆容器的方法，包括如下步骤：
(1)采用磁控溅射法在硅衬底上制备第一金属薄膜；
(2)在所述第一金属薄膜上脉冲激光沉积制备第一氧化物薄膜；
(3)在所述第一氧化物薄膜上采用磁控溅射法制备第二氧化物薄膜；
(4)在所述第二氧化物薄膜上采用离子溅射仪制备第二金属薄膜。
有益效果：(1)本发明器件性能好，稳定性强。器件的高/低电容比值高达1000倍，响应时间小于10ns，循环次数超过108次。同时具备较高电阻开关比值的忆阻行为。(2)本发明器件采用金属/氧化物异质结三明治结构，结构简单、制备方便、体积小，适合三维堆垛结构中，具有高集成度的特点。(3)本发明器件操作简单，制备好后无需经过任何处理就可通过施加脉冲电压实现器件功能。(4)本发明器件功能多，应用范围广，不仅可以应用于非易失性存储器中，还可在人工智能领域中用于模拟学习、自适应和自发行为。
附图说明
图1是本发明的器件的构造和电极结构示意图；
图2是本发明的器件的电容-脉冲电压(Vwrite)回线图，电容值是在相应Vwrite脉冲结束后再用频率1kHz振幅0.1V的交流信号测得的；
图3是本发明的器件的电阻-Vwrite回线图；电阻值是在相应Vwrite脉冲结束后再用固定直流偏压(0.5V)测得的；
图4是本发明的器件的高电阻态和低电阻态的时间特性图；
图5是在半高宽8ns振幅9.6V的脉冲电压操作下器件的“开”和“关”行为；
图6是本发明的器件在经过108次循环开关后的开关特性图；
图7是本发明的器件的等效并联电容与并联电阻随直流偏压的关系图；
图8是电流绝对值与直流偏压的关系图；
图9是当器件分别处于HRS和LRS状态下时的电流-偏压特性图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
目前，不管下一代的存储器还是未来的人工智能技术，除了要求忆容器要有高性能、高响应速度和高稳定性外，还需要可三维堆垛、可集成。因此，发明一种高可调范围的贴片式忆容器，既能在多种应用场合中满足性能方面的要求，同时又能实现三位堆垛，并能方便于高密度集成，具有非常巨大的应用前景和市场。
具体的，在硅衬底上采用磁控溅射法、脉冲激光沉积和离子溅射仪依次制备金属-I、氧化物-A和氧化物-B、金属-II等薄膜，然后在金属-I和金属-II层引出电极制成本发明的器件，如图1所示。
1)材料选择：氧化物-A选用TiO2、HfO2、TaO2、SrTi1-xNbxO3(0<x<0.01)中的一种。氧化物-B采用ABO3型钙钛矿氧化物，其中，A为Dy、Gd、Tm、Lu、Tb中的一种或多种金属离子，B为Fe或Mn。金属-I选用Au、Cu、Pt、Ag、Co等金属中的一种；金属-II用Au或Pt。
2)薄膜的具体生长工艺如下：
(a)磁控溅射法制备金属-I薄膜：选用表面光滑的硅衬底(粗糙度小于5nm)，腔内真空度10-5Pa，硅衬底温度100℃至300℃，金属-I薄膜的粗糙度小于5nm，厚度约100-500nm。
(b)脉冲激光沉积制备氧化物-A薄膜：沉积前把硅衬底的温度升至500℃至700℃，氧分压调节到10-5Pa至102Pa，随后调节激光器能量为100～300mJ，频率在1～5Hz；氧化物-A/金属-I界面的起伏度不超过5nm。
(c)磁控溅射法制备氧化物-B薄膜：硅衬底温度为400℃至700℃，气压：0.01～50Pa，O2气氛下，溅射功率为100W-1500W，沉积完毕后在600℃至700℃间退火10-30分钟，厚度约200-1000nm。氧化物-B薄膜的颗粒大小超过50nm。
(d)离子溅射仪制备金属-II薄膜：腔内真空度100Pa，溅射电流4～6mA，溅射3～5次，每次溅射2分钟。氧化物-B薄膜金属-II薄膜是欧姆接触。
(e)本发明的器件的两个电极分别由金属-II和金属-II薄膜引出。
3)本发明的器件电阻电容开关的操作与读取。施加正的或者负的电压脉冲到器件的两个电极即可对器件的电阻态和电容态进行开关操作，然后再用一个固定大小的小电压读取器件的电阻态。若要读取器件的电容态或交流电阻值，则只需用较小振幅的交流电施加到器件两电极端即可。
4)本发明的器件的最小有效操作脉冲宽度、脉冲幅度、伏安特性的获得、以及器件的状态稳定性和循环开关特性的检验。
(a)测量器件在固定小信号下测得的电阻或电容随着操作脉冲振幅Vwrite的回线图，如图2和图3所示。跟据测得的回线图可确定器件在不同操作脉冲振幅下“开”和“关”的两种状态时电阻和电容的值；
(b)状态稳定性：在施加正或负的操作脉冲后，再用固定小电压测电阻或电容随时间的变化，如图4所示；
(c)脉冲宽度从10ns起逐步增加，测量在分别进行“开”和“关”的操作后器件电阻和电容的状态，从而确定最小的有效脉冲宽度，如图5所示。当施加操作脉冲宽度大于最小脉冲宽度时，器件都能正常工作；
(d)开关循环特性：在循环施加正负交替循环的操作脉冲过程中，在每个脉冲的off时间内用固定小电压测量高低电阻态或电容态，如图6所示；
(e)确定状态读取电压幅度范围：测量不同偏压下器件的电阻和电容随偏压的回线图，如图7和图8所示；或者是把器件置于不同电阻或电容状态下，采用较小直流偏压的方式测量伏安特性，如图9所示。
下面举一具体实施例详细说明：
1)在表面光滑的硅基片上依次制备Au薄膜(下电极)、SrTi0.005Nb0.995O3(NSTO)薄膜、TbMnO3薄膜和Au薄膜(上电极)，做成本发明的器件结构。具体的薄膜生长工艺如下：
(a)磁控溅射法制备Au薄膜(下电极)：选用表面光滑的硅衬底(粗糙度小于5nm)，腔内真空度10-5Pa，基片温度100℃，金属-I薄膜的粗糙度小于5nm，厚度约200nm。
(b)脉冲激光沉积制备NSTO薄膜：沉积前硅衬底温度升至700℃，氧分压调节到10Pa，随后调节激光器能量为200mJ，频率在1Hz；NSTO/Au界面的起伏度不超过5nm。
(c)磁控溅射法制备TbMnO3薄膜：硅衬底温度为700℃，气压：0.01～50Pa，O2气氛下，溅射功率为100W-700W，沉积完毕后在700℃退火10分钟。TbMnO3薄膜的颗粒大小超过50nm。
(d)离子溅射仪制备Au薄膜(上电极)：腔内真空度100Pa，溅射电流6mA，溅射5次，每次溅射2分钟。Au薄膜(上电极)与TbMnO3薄膜是欧姆接触。
2)图2和图3分别是用Keithley2636A测到的器件Au/TbMnO3/NSTO/Au的电容和电阻随脉冲操作电压的回线图，说明了器件同时具有大于1000倍的电阻开关和电容开关的效应。
3)图4是器件处于高电阻态(HRS)和低电阻态(LRS)时器件电阻随时间的变化关系图，说明有很好的状态稳定性；图5表明能有效产生电阻开关效应的操作电压的最短脉冲宽度约为8ns；图6显示器件在经过108次开关循环后仍然有很好的循环稳定性。
4)图7是器件的等效并联电容与并联电阻随偏压的滞后回线图。该回线图表明器件的读取电压在-1V～+1V范围内具有较高和较平稳的电容和电阻开关比例，适合于实际应用。
图8是器件在直流偏压为-10V～+10V范围内的I-V回线图；图9是器件分别处在HRS和LRS状态下的I-V特性，说明器件在不同电阻态和电容态下具有相反的二极管行为特征。
Claims (7)
1.一种新型贴片式忆容器，其特征在于，包括自下至上依次设置的硅衬底、第一金属薄膜、第一氧化物薄膜、第二氧化物薄膜和第二金属薄膜，其中，所述第一金属包括Au、Cu、Pt、Ag、Co中的一种，所述第一氧化物包括TiO2、HfO2、TaO2、SrTi1-xNbxO3中的一种，0<x<0.01，所述第二氧化物为ABO3型钙钛矿氧化物，其中，A为Dy、Gd、Tm、Lu、Tb中的一种或多种金属离子，B为Fe或Mn，第二金属为Au或Pt；在所述第一金属薄膜和第二金属薄膜上引出电极。
2.一种制备如权利要求1所述新型贴片式忆容器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用磁控溅射法在硅衬底上制备第一金属薄膜；
(2)在所述第一金属薄膜上脉冲激光沉积制备第一氧化物薄膜；
(3)在所述第一氧化物薄膜上采用磁控溅射法制备第二氧化物薄膜；
(4)在所述第二氧化物薄膜上采用离子溅射仪制备第二金属薄膜。
3.根据权利要求2所述的制备新型贴片式忆容器的方法，其特征在于：所述第一氧化物薄膜和第一金属薄膜界面的起伏度不超过5nm，所述硅衬底的粗糙度小于5nm。
4.根据权利要求2所述的制备新型贴片式忆容器的方法，其特征在于：所述第二氧化物薄膜的颗粒大小超过50nm。
5.根据权利要求2所述的制备新型贴片式忆容器的方法，其特征在于：所述第二氧化物薄膜与第二金属薄膜是欧姆接触。
6.根据权利要求2所述的制备新型贴片式忆容器的方法，其特征在于：所述第二氧化物薄膜厚度的选择刚好使得第二氧化物薄膜的等效并联电阻处于第一金属薄膜与第一氧化物薄膜构成的异质结的高、低电阻态的阻值之间。
7.根据权利要求2所述的制备新型贴片式忆容器的方法，其特征在于：所述第二氧化物薄膜的等效并联电容值是第一金属薄膜与第一氧化物薄膜构成的异质结电容的1000倍以上。
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2016
- 2016-04-11 CN CN201610222065.XA patent/CN105679840B/zh active Active
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