CN106783854B - 一种黑磷烯薄膜存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种黑磷烯薄膜存储器及其制备方法。黑磷烯薄膜存储器的制备方法包括如下步骤：(1)清洗衬底；(2)在衬底上形成底电极；(3)在底电极上形成黑磷烯薄膜层；(4)通过构图工艺在黑磷烯薄膜层上形成顶电极的图形；(5)在黑磷烯薄膜层上形成顶电极，得到存储器单元；(6)通过构图工艺在存储器单元上侧形成披覆层的图形；(7)最后形成披覆层，使其包覆顶电极覆盖之外的黑磷烯薄膜层，得到所述存储器。该黑磷烯薄膜存储器具有转变速度快、读写电压稳定的优点。
Description
技术领域
本发明属于存储器技术领域，特别涉及一种黑磷烯薄膜存储器及其制备方法。
背景技术
根据国际半导体技术路线图(ITRS)对集成电路领域发展趋势的预测，到2020年左右，集成电路的特征尺寸将缩小到10纳米以下，这样传统的器件将面临一系列来自技术层面和物理极限的挑战。这时需要引入新的材料才能解决很多传统器件无法解决的问题。二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体，具有独特的电学、光学以及磁学等特性，并有着自身独特的结构优势，因此常见的二维材料如石墨烯、硅烯、二硫化钼以及黑磷烯等，都受到了科学家们的广泛关注。
黑磷烯具有高电子迁移率以及直接带隙的性质，由此其具有独特的光学和电学性能，受到国内外科学家的广泛关注。黑磷烯随其层数变化可调节直接带隙，可按具体要求设计出理想的带隙，该特性使其在光电子学领域会有很大潜力。黑磷烯层数减薄会加大有效质量、带来更多的缺陷，少层黑磷烯既可良好地应用于光电元件领域，又不会因为与水和氧气发生反应而劣化。黑磷烯性质优异，但作为一种新型材料，对其研发还不够深入，特别是在存储器领域，因此，提供一种基于黑磷烯薄膜存储器件是本领域的一个重要技术进步。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种黑磷烯薄膜存储器及其制备方法。
一种黑磷烯薄膜存储器，由下至上依次包括衬底1、底电极2、黑磷烯薄膜层3和顶电极4，并将顶电极4覆盖之外的黑磷烯薄膜层3用披覆层5覆盖。该存储器以黑磷烯薄膜层3作为存储功能层。
优选地，所述黑磷烯薄膜层3由单层或者多层黑磷烯薄膜构成，总厚度为0.5nm～100nm；进一步优选为5nm～50nm。
优选地，所述衬底1采用Al2O3材料；Al2O3材料的封装可以有效保持黑磷烯材料的稳定性。
所述底电极2为金属导电薄膜或非金属导电薄膜；优选Ni/Au复合薄膜。
所述顶电极4为金属导电薄膜或非金属导电薄膜；优选Ag、Cu或Ni的薄膜。
优选地，所述披覆层5采用Al2O3材料；Al2O3材料的封装可以有效保持黑磷烯材料的稳定性。
优选地，所述底电极2、顶电极4、披覆层5的厚度分别为5～500nm；进一步优选为20～80nm。
一种黑磷烯薄膜存储器的制备方法，包括如下步骤：
(1)清洗衬底1；
(2)在衬底1上形成底电极2；
(3)在底电极2上形成黑磷烯薄膜层3；
(4)通过构图工艺在黑磷烯薄膜层3上形成顶电极4的图形；
(5)在黑磷烯薄膜层3上形成顶电极4，得到存储器单元；
(6)通过构图工艺在存储器单元上侧形成披覆层5的图形；
(7)最后形成披覆层5，使其包覆顶电极4覆盖之外的黑磷烯薄膜层3，得到所述存储器。
所述步骤(3)中，采用转移法将预先形成的黑磷烯薄膜转移到底电极2上形成黑磷烯薄膜层3。
所述底电极2的形成、顶电极4的形成分别采用化学气相沉积或者物理气相沉积，优选电子束蒸发技术。
所述披覆层5的形成分别采用化学气相沉积或者物理气相沉积，优选原子层沉积技术。
步骤(4)中所述构图工艺具体包括：
(11)在黑磷烯薄膜层3上旋涂光刻胶层6覆盖所述黑磷烯薄膜层3；
(12)通过曝光、显影和剥离处理，形成顶电极4的图形。
步骤(6)中所述构图工艺具体包括：
(11)在存储器单元上侧旋涂光刻胶层6覆盖所述存储器单元上侧；
(12)通过曝光、显影和剥离处理，形成披覆层5的图形。
本发明的有益效果为：
本发明的存储器具有转变速度快、读写电压稳定的优点。
附图说明
图1为实施例1制备的一种黑磷烯薄膜存储器的基本结构示意图。
图2为实施例1制备黑磷烯薄膜存储器的制备流程图。
图3a至图3f分别为实施例1制备黑磷烯薄膜存储器过程中执行各步骤后的结构示意图。
图4为实施例1制备的一种黑磷烯薄膜存储器的存储性能测试结果。
图5为实施例1制备的一种黑磷烯薄膜存储器的数据保持稳定性测试结果。
图6为实施例1制备的一种黑磷烯薄膜存储器的转变速度测试测试结果。
标号说明：1-衬底；2-底电极；3-黑磷烯薄膜层；4-顶电极；5-披覆层；6-光刻胶层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1：
图2为本实施例通过光刻构图工艺制备黑磷烯薄膜存储器的流程图，包括：
(01)Al2O3衬底清洗；
(02)沉积Ni/Au底电极层；
(03)转移黑磷烯薄膜，得到黑磷烯薄膜层；
(04)通过光刻构图工艺形成顶电极图形；
(05)沉积Ag顶电极层；
(06)去胶剥离技术，形成存储单元；
(07)通过光刻构图工艺形成披覆层图形；
(08)沉积Al2O3披覆层；
(09)去胶剥离形成披覆存储单元。
得到黑磷烯薄膜存储器的基本结构如图1所示，由下至上依次包括衬底1、底电极2、黑磷烯薄膜层3和顶电极4，其中顶电极4覆盖之外的黑磷烯薄膜层3用披覆层5覆盖。
在具体实施上述方法时，预先形成的黑磷烯薄膜可以通过多种方法获得。目前主要手段有：机械分离法、液相剥离法和化学合成法。本实施例中采用机械剥离法，其是通过对层状材料施加机械力从而将其薄层材料分离出来的方法。具体地，剥离单层或多层黑磷烯的方法和转移黑磷烯的方法均与现有技术相同，在此不作赘述。
下面以图1所示的黑磷烯薄膜存储器为例具体说明本发明。
(1)使用电子束蒸发技术在Al2O3衬底上沉积Ni/Au底电极层，Ni/Au底电极层的厚度为80nm，如图3a所示；
(2)利用转移法在Ni/Au底电极层上形成黑磷烯薄膜层3，如图3b所示，黑磷烯薄膜层3由15层黑磷烯薄膜构成，每层的厚度为0.5nm，总厚度为7.5nm；
(3)通过旋涂的方式在黑磷烯薄膜层3上沉积光刻胶层6，如图3c所示，然后通过曝光、显影形成顶电极4的图形；
(4)使用电子束蒸发技术在光刻胶层6上沉积Ag顶电极层，Ag顶电极层的厚度为50nm，去胶剥离得到顶电极4，构成存储器单元，如图3d所示；
(5)通过旋涂的方式在存储器单元上侧沉积光刻胶层6，如图3e所示，然后通过曝光、显影形成披覆层5的图形；
(6)使用原子层沉积技术在光刻胶层20上沉积Al2O3披覆层，披覆层5的厚度为50nm，去胶剥离得到披覆层5，构成黑磷烯存储器，如图3f所示。
图4是实施例1的Al2O3衬底/Ni-Au底电极/黑磷烯薄膜层/Ag顶电极/Al2O3披覆层结构的存储器的存储性能测试结果，从图中我们可以看出我们看出制备的器件单元表现出了良好的存储特性。Al2O3衬底/Ni-Au底电极/黑磷烯薄膜层/Ag顶电极/Al2O3披覆层结构阻变存储器件具有大的开关比(＞104)，较低的工作电压(＜2V)和工作电流(μA级)。适用于下一代低功耗嵌入式以及分立式存储设备的应用。
图5是实施例1的Al2O3衬底/Ni-Au底电极/黑磷烯薄膜层/Ag顶电极/Al2O3披覆层结构的存储器的数据保持稳定性测试结果，从图中我们可以看出在106s长时间测试下，高低阻态数据仍保持数据存储特性稳定。这说明该基于黑磷烯的阻变存储器及其封装结构没有出现黑磷烯氧化导致失效的问题。
图6是实施例1的Al2O3衬底/Ni-Au底电极/黑磷烯薄膜层/Ag顶电极/Al2O3披覆层结构的存储器的存储速度测试结果，从图中可以看出器件的转变速度在纳秒级，具有快的转变速度，具有良好的应用前景。
由上可知，该黑磷烯存储器具有转变速度快、读写电压稳定的优点。
需要说明的是：图中各层厚度和区域大小形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种黑磷烯薄膜存储器，其特征在于，由下至上依次包括衬底(1)、底电极(2)、黑磷烯薄膜层(3)和顶电极(4)；其中顶电极(4)覆盖之外的黑磷烯薄膜层(3)用披覆层(5)覆盖；该存储器以黑磷烯薄膜层(3)作为存储功能层。
2.根据权利要求1所述一种黑磷烯薄膜存储器，其特征在于，所述黑磷烯薄膜层(3)由单层或者多层黑磷烯薄膜构成，总厚度为0.5nm～100nm。
3.根据权利要求1所述一种黑磷烯薄膜存储器，其特征在于，所述衬底(1)采用Al2O3材料。
4.根据权利要求1所述一种黑磷烯薄膜存储器，其特征在于，所述底电极(2)和顶电极(4)分别为金属导电薄膜或非金属导电薄膜。
5.根据权利要求4所述一种黑磷烯薄膜存储器，其特征在于，所述底电极(2)采用Ni/Au复合薄膜；所述顶电极(4)采用Ag、Cu或Ni的薄膜。
6.根据权利要求1所述一种黑磷烯薄膜存储器，其特征在于，所述披覆层(5)采用Al2O3材料。
7.根据权利要求1所述一种黑磷烯薄膜存储器，其特征在于，所述底电极(2)、顶电极(4)、披覆层(5)的厚度分别为5～500nm。
8.一种黑磷烯薄膜存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)清洗衬底(1)；
(2)在衬底(1)上形成底电极(2)；
(3)在底电极(2)上形成黑磷烯薄膜层(3)；
(4)通过构图工艺在黑磷烯薄膜层(3)上形成顶电极(4)的图形；
(5)在黑磷烯薄膜层(3)上形成顶电极(4)，得到存储器单元；
(6)通过构图工艺在存储器单元上侧形成披覆层(5)的图形；
(7)最后形成披覆层(5)，使其包覆顶电极(4)覆盖之外的黑磷烯薄膜层(3)，得到所述存储器。
9.根据权利要求8所述一种黑磷烯薄膜存储器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用转移法将预先形成的黑磷烯薄膜转移到底电极(2)上形成黑磷烯薄膜层(3)。
10.根据权利要求8所述一种黑磷烯薄膜存储器的制备方法，其特征在于，所述底电极(2)的形成、顶电极(4)的形成、披覆层(5)的形成分别采用化学气相沉积或者物理气相沉积。
11.根据权利要求8所述一种黑磷烯薄膜存储器的制备方法，其特征在于，步骤(4)和步骤(6)中，所述构图工艺具体包括：
(11)在器件单元上侧旋涂光刻胶层(6)覆盖所述器件单元；
(12)通过曝光、显影和剥离处理，形成所需要的图形。
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