CN106920877A - 一种柔性阻变存储器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性阻变存储器及制备方法。该柔性阻变存储器包括依次制备在柔性衬底上的底电极、存储功能层和顶电极，其中，底电极、存储功能层与顶电极形成三明治结构；存储功能层材料为稀土氧化物。其制备方法包括以下步骤：(1)在柔性衬底上形成底电极层；(2)通过光刻工艺在所述底电极上形成存储器件所需图形；(3)在图形上形成稀土氧化物薄膜存储功能层；(4)在所述存储功能层上形成顶电极层；(5)去除光刻胶形成完整的器件单元。本发明的柔性阻变存储器具有弯折到一定半径及多次弯折后仍保持存储性能稳定的优势，适用于柔性存储技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性阻变存储器及制备方法，属于柔性电子技术领域。
背景技术
柔性电子技术是将有机或者无机材料电子器件制作在柔性或者可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术。柔性电子技术将带来一场电子技术革命，引起全世界的广泛关注并得到迅速发展。美国《科学》杂志将有机电子技术进展列为2000年世界十大科技成果之一，与人类基因组草图、生物克隆技术等重大发现并列。与传统IC技术一样，制造工艺和装备也是柔性电子技术发展的主要驱动力。柔性电子制造技术水平指标包括芯片特征尺寸和基板面积大小，其关键是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器件。
随着柔性电子技术的飞速发展，越来越多的柔性电子器件走入了人们的生活领域。在这其中，最核心的硬件——柔性存储器(Flexible Memory)的制造工艺还不够完善。阻变存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM)具有低廉的价格、简单的结构、超高的密度、低功耗、高速和与CMOS工艺兼容的优点，受到广泛的关注，有望成为新一代主流的非挥发性存储器。由于阻变存储器的结构简单、可低温制造使得阻变存储器在柔性存储器方向有着显著的应用前景。
在柔性阻变存储器中，对材料的耐弯折强度与弯折耐久性选择很重要。对于电极的选择，铝、铜、铂金、氧化铟锡或氧化铟锌等材料在薄膜状态时都表现出了优异耐弯折强度与弯折耐久性。而对于作为存储功能层的薄膜材料而言，不仅需要材料具备优异耐弯折强度与弯折耐久性，而且要求材料在弯折后的存储性能不发生变化，这样制造出的存储器才能符合实际应用。因此，在保证存储性能不在弯折到一定半径及多次弯折后仍保持稳定是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性阻变存储器，该阻变存储器具有弯折到一定半径及多次弯折后仍保持存储性能稳定的优势，而适用于柔性存储技术。
本发明的另一目的在于提供一种所述柔性阻变存储器的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种柔性阻变存储器，包括依次制备在柔性衬底上的底电极、存储功能层和顶电极，其中，底电极、存储功能层与顶电极形成三明治结构；存储功能层材料为稀土氧化物。
其中，所述存储功能层的厚度为15nm-35nm。所述稀土氧化物存储功能层材料为氧化钇、氧化钪、氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱或氧化镥。
所述底电极或顶电极的厚度为5nm-40nm。所述底电极或顶电极材料为铝、铜、铂金、氧化铟锡或氧化铟锌。
所述柔性衬底的厚度为0.1mm-5.0mm。所述柔性衬底材料为聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
所述柔性阻变存储器结构为交叉阵列结构、垂直结构或者平面结构。
一种所述柔性阻变存储器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在柔性衬底上形成底电极层；
(2)通过光刻工艺在所述底电极上形成存储器件所需图形；
(3)在图形上形成稀土氧化物薄膜存储功能层；
(4)在所述存储功能层上形成顶电极层；
(5)去除光刻胶形成完整的器件单元。
本发明的优点在于：
本发明的柔性阻变存储器在存储功能层选用稀土氧化物材料，由于稀土氧化物薄膜具有较好的机械强度、耐弯折强度、及优异的柔性，因此在整体柔性器件弯折的情况下仍保持优异的存储特性，包括两态区分大、数据保持时间长、电学耐久性好、机械柔性好及转变参数一致等。与现有柔性存储器比较具有显著优势。
附图说明
图1为本发明的柔性阻变存储器弯折后的结构示意图。
图2(a-f)为图1所示的柔性阻变存储器的制作过程中执行各步骤后的结构示意图。
图3为本发明的柔性阻变存储器的制备流程图。
图4为本发明实施例1的柔性阻变存储器的阻变特性曲线。
图5为本发明实施例1的柔性阻变存储器的器件与器件之间(a)、循环与循环之间(b)的电压累积分布。
图6为本发明实施例1的柔性阻变存储器的耐久性测试结果。
图7为本发明实施例1的柔性阻变存储器的数据保持能力测试结果。
图8为本发明实施例1的柔性阻变存储器的转变电压与器件弯折半径关系。
图9为本发明实施例1的柔性阻变存储器的转变电压与器件弯折次数关系。
图10为本发明实施例1的柔性阻变存储器的高低阻态与弯折半径关系。
图11为本发明实施例1的柔性阻变存储器的高低阻态与弯折次数关系。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细地说明，但本发明并不限于此。
图中各层薄膜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。
图1为本发明的柔性阻变存储器弯折后的结构示意图，该结构最下端是柔性衬底101，在衬底101上的是底电极102，底电极102上面一层是存储功能层104，该柔性阻变存储器在弯折的情况下仍保持优异的存储特性。
图2为本发明柔性阻变存储器在制作过程中执行各步骤后的结构示意图，具体为：
(1)利用磁控溅射法、电子书蒸发或者热蒸发在柔性衬底01上形成底电极层02，如图2a所示；
(2)在底电极层02上旋涂光刻胶层03，如图2b所示；
具体地，在具体实施时，光刻胶层可以是正性光刻胶，也可以是负性光刻胶，在此不作限定。
(3)对光刻胶层03进行曝光、显影处理，得到底电极图形，如图2c所示；
(4)通过磁控溅射法在光刻胶03上沉积稀土氧化物存储功能层材料04，如图2d所示；
(5)利用磁控溅射法、电子书蒸发或者热蒸发技术在稀土氧化物存储功能层材料04上继续沉积一层顶电极层05，如图2e所示；
(6)通过剥离处理，形成柔性阻变存储器器件单元，如图2f所示。
图3为本发明柔性阻变存储器的制备方法流程图，包括：
步骤301：柔性衬底清洗：使用酒精轻轻擦拭衬底表面，后用氮气枪吹干；
步骤302：在柔性衬底上形成电极：利用磁控溅射法、电子书蒸发或者热蒸发技术在衬底上面沉积底电极；
步骤303：通过光刻技术在底电极上形成器件图形：使用光刻技术的构图工艺，在底电极上面形成所需器件的图形；
步骤304：继续沉积稀土氧化物薄膜存储功能层：利用磁控溅射技术在光刻胶上面沉积稀土氧化物存储功能层材料；
步骤305：在稀土氧化物薄膜存储功能层上形成顶电极：利用磁控溅射法、电子书蒸发或者热蒸发技术在稀土氧化物存储功能层材料上面沉积顶电极；
步骤306：去除光刻胶形成完整的器件单元：通过去胶剥离技术，形成柔性阻变存储器器件单元。
实施例1
一种稀土氧化物柔性阻变存储器的制备方法实施例，具体包括以下步骤：
步骤301：衬底清洗，使用酒精轻轻擦拭聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)5分钟，后用氮气枪吹干。
步骤302：利用磁控溅射技术在PET衬底上面沉积Pt，形成底电极，具体工艺如下：本底真空5×10-5Pa，工作气压1Pa，Ar气流量20sccm，射频电源功率60W，沉积时间2min，Pt薄膜40nm。
步骤303：使用正性光刻胶构建存储单元图形，采用正掩膜板对光刻胶层进行曝光和显影处理，保留光刻胶层中未被曝光的区域，去除光刻胶层中被曝光的区域，从而在光刻胶层中定义出器件结构的图形，曝光器件单元直径尺寸为100μm。
步骤304：利用磁控溅射技术在曝光、显影后的器件上继续沉积一层Gd2O3存储功能层薄膜材料，沉积前，沉积腔室真空度为1×10-5Pa；沉积过程中，腔室气压保持在2Pa，氧分压(O：Ar+O)为3％，Gd2O3薄膜厚度为30nm。
步骤305：利用磁控溅射技术在Gd2O3存储功能层薄膜材料表面沉积一层Cu金属薄膜作为顶电极，具体工艺如下：本底真空5×10-5Pa，工作气压1Pa，Ar气流量20sccm，射频电源功率30W，沉积时间3min，Cu薄膜40nm。
步骤306：剥离光刻胶，得到器件单元。
图4为实施例1所制备的Cu/Gd2O3/Pt/PET柔性阻变存储器器件的I-V测试曲线图，从图中可以看出所制备的器件无需点激活过程，具有低的转变电压，适用于柔性阻变存储技术。
图5(a)、(b)为实施例1所制备的Cu/Gd2O3/Pt/PET柔性阻变存储器的器件与器件之间、循环与循环之间的电压累积分布，从图中数据可以看出所制备的器件具有优异的转变参数一致性。
图6为实施例1所制备的Cu/Gd2O3/Pt/PET柔性阻变存储器的耐久性测试结果，从图中数据可以看出所制备的器件经过500次循环测试后器件电阻仍无任何衰退迹象，表现出了良好的耐久性。
图7为实施例1所制备的Cu/Gd2O3/Pt/PET柔性阻变存储器的数据保持能力测试结果，从图中数据可以看出所制备的器件在经过106s的读取后高低阻态无明显变化，表明该器件具有非易失性。
图8为实施例1所制备的Cu/Gd2O3/Pt/PET柔性阻变存储器的转变电压与器件弯折半径关系，从图中数据可以看出所制备的器件弯折半径对器件转变电压并无明显影响。
图9为实施例1所制备的Cu/Gd2O3/Pt/PET柔性阻变存储器的转变电压与器件弯折次数关系，从图中数据可以看出所制备的器件弯折次数对转变电压并无明显影响。
图10为实施例1所制备的Cu/Gd2O3/Pt/PET柔性阻变存储器的高低阻态与弯折半径关系，从图中数据可以看出所制备的器件在不同弯折半径状态下转变电压仍保持一致。
图11为实施例1所制备的Cu/Gd2O3/Pt/PET柔性阻变存储器的高低阻态与弯折次数关系，从图中数据可以看出所制备的器件在多次弯折后仍保持优异的存储特性。
Claims (10)
1.一种柔性阻变存储器，其特征在于：它包括依次制备在柔性衬底上的底电极、存储功能层和顶电极，其中，底电极、存储功能层与顶电极形成三明治结构；存储功能层材料为稀土氧化物。
2.根据权利要求1所述的柔性阻变存储器，其特征在于：所述存储功能层的厚度为15nm-35nm。
3.根据权利要求1所述的柔性阻变存储器，其特征在于：所述稀土氧化物存储功能层材料为氧化钇、氧化钪、氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱或氧化镥。
4.根据权利要求1所述的柔性阻变存储器，其特征在于：所述底电极或顶电极的厚度为5nm-40nm。
5.根据权利要求1所述的柔性阻变存储器，其特征在于：所述底电极或顶电极材料为铝、铜、铂金、氧化铟锡或氧化铟锌。
6.根据权利要求1所述的柔性阻变存储器，其特征在于：所述柔性衬底的厚度为0.1mm-5.0mm。
7.根据权利要求1所述的柔性阻变存储器，其特征在于：所述柔性衬底材料为聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
8.根据权利要求1所述的柔性阻变存储器，其特征在于：所述柔性阻变存储器结构为交叉阵列结构、垂直结构或者平面结构。
9.一种权利要求1-8中任一项所述的柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在柔性衬底上形成底电极层；
(2)通过光刻工艺在所述底电极上形成存储器件所需图形；
(3)在图形上形成稀土氧化物薄膜存储功能层；
(4)在所述存储功能层上形成顶电极层；
(5)去除光刻胶形成完整的器件单元。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：利用磁控溅射法、电子书蒸发或者热蒸发技术形成底电极或顶电极；利用磁控溅射法形成稀土氧化物薄膜存储功能层。
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