CN108447987A - 一种低激活电压阻变器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及信息存储的技术领域，更具体地，涉及一种低激活电压阻变器件的制备方法。其主要步骤为：1)对导电衬底进行表面清洗和预处理后待用；2)随后，在导电衬底上生长并热处理后得到介质层S1；3)配制介质层S2的前驱体溶液A2，并加入腐蚀剂得到混合前驱体溶液A3；4)将混合前驱体溶液A3旋涂在介质层S1上并热处理得到复合介质层S2(1)/S1；5)在复合介质层S2(1)/S1上蒸镀顶电极，完成制备。本发明易于实现，可重复性好，成本低廉，在较低的温度和常压条件下下即可制备出具有低激活电压的阻变器件。该发明为新型半导体存储器件的设计和性能优化提供了新途径，并且在半导体材料的电学改性、定向调控方面具有重要前景。
Description
技术领域
本发明涉及信息存储的技术领域，更具体地，涉及一种低激活电压阻变器件的制备方法。
背景技术
随着手机、平板电脑等一系列产品在我们的生活中越来越普及，便携式电子产品受到越来越多的关注，相应的市场也空前巨大。其中，存储器作为电子产品的核心部件对器件的性能有着十分重要的作用。然而，受限于晶体管集成技术，以及尺寸微小化的瓶颈，当前市场的主流产品闪存(Flash)已无法满足市场及半导体产业对存储器的需求。因此，近年来国内外广大科研人员针对下一代存储器开展了许多研究。
阻变存储器，因具有断电保持能力、快速读写、高存储密度、低功耗且结构简单易于制备等优势，被认为是下一代存储器的最有力的竞争者之一。但是，阻变存储器往往需要一个很高的激活电压，来刺激介质层使缺陷(如氧空位)在局部产生聚集，进而才能实现状态的切换。这一问题的存在严重制约了阻变存储器的应用。因此，想要有效降低激活电压甚至消除激活过程，就必须对阻变介质层中的缺陷形成能进行有效调控。研究中发现，缺陷形成能较低的介质层材料其阻变存储特性往往不理想，甚至不具备阻变特性。而存储特性较好的介质层材料，其缺陷形成能往往较高。
因此，如何调控阻变介质层中的缺陷形成能就成了关键。目前，阻变介质层的主要制备方法是溅射法。通过掺杂的靶材沉积，或是在电极与介质层之间形成过渡层来增加氧空位的含量，从而在一定程度上减小激活电压。但是介质层在制备时其成分的控制要求比较精确，对实验设备、工艺参数有很高的要求。此外，过渡层的化学计量比、厚度等条件需要严格控制，其对应的电极材料也有特殊的要求。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种低激活电压阻变器件的制备方法，提出一种控制难度小、成本低廉、对设备要求低、可行性高的方法来有效调控阻变介质层中的缺陷形成能，从而大幅降低阻变器件的激活电压，消除激活过程的不利影响。
本发明的技术方案是：一种低激活电压阻变器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、对导电衬底进行表面清洗和预处理后待用；
步骤2)、随后，在导电衬底上生长并热处理后得到介质层S1；
步骤3)、配制介质层S2的前驱体溶液A2，并加入腐蚀剂得到混合前驱体溶液A3；
步骤4)、将混合前驱体溶液A3旋涂在介质层S1上并热处理得到复合介质层S2(1)/S1；
步骤5)、在复合介质层S2(1)/S1上蒸镀顶电极，完成制备。
进一步的，所述的步骤2)中所述介质层S1为ITO、IZO、In2O3、InO x 中的一种或几种。
所述的步骤2)中所述热处理的温度为100-300 ℃。
所述的步骤3)中所述介质层S2为Al2O3。
所述的步骤3)中所述前驱体溶液A2中，溶剂为H2O2。
所述的步骤3)中所述前驱体溶液A2的浓度为0.05 mol/L-0.3 mol/L。
所述的步骤3)中所述腐蚀剂为NH3·H2O和HNO3。
所述的步骤4)中所述热处理的温度为100-200 ℃。
所述的步骤4)中所述介质层S2(1)的厚度为10-40 nm。
所述的步骤4)中所述介质层S2(1)，为介质层S2与部分介质层S1形成的混合层；步骤5)中所述顶电极为Au、Ag、Ni、Al、Pt中的一种或几种。
与现有技术相比，有益效果是：本发明通过在高形成能介质层的前驱体中添加腐蚀剂，在高形成能介质层的成型过程中对低形成能的介质层表面进行适当腐蚀，从而形成同时具有阻变特性和低形成能的混合介质层。在高形成能介质层的成型过程中对低形成能介质层表面进行腐蚀，可以使混合更加充分，避免纯相的高形成能介质层产生。本发明具有操作简单、对设备要求低、易于重复试验、性能优异等优点，可作为调控介质层缺陷形成能、大幅降低激活电压的理想方法。经反复实验表明，本发明的有益效果将会在下面的描述中更加明显。
附图说明
图1为实施例1制备得到的阻变单元的结构示意图。
图2为实施例1中阻变单元的电流-电压曲线。
图3为对比例1制备得到的阻变单元的结构示意图。
图4为对比例1中阻变单元的电流-电压曲线。
图5为对比例2制备得到的阻变单元的结构示意图。
图6为对比例2中阻变单元的电流-电压曲线。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
将长1 cm，宽1 cm的Pt/Ti/SiO2/Si衬底分别用丙酮、异丙醇、去离子水清洗，烘干后备用。
配置0.2 mol/L的硝酸铟水溶液并搅拌24 h后待用。
称取一定量固体硝酸铝溶解于2.5 ml 双氧水(30%)中，配置成0.2 mol/L的硝酸铝溶液。
向硝酸铝溶液中加入111 μL氨水和75 μL硝酸，并搅拌24 h得到硝酸铝混合溶液。
将硝酸铟水溶液旋涂在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上，之后置于加热板上加热5 min。该过程重复操作4次。随后将样品至于退火炉中180 ℃退火1 h，之后让样品自然冷却至室温。
样品取出后，将硝酸铝混合溶液在样品上旋涂，之后置于退火炉中180 ℃退火30min。该过程重复操作2次。之后让样品自然冷却至室温。
样品取出后用孔径100 μm的掩膜板遮盖，再置于电子束蒸发镀膜机中生长上电极，溅射靶材为99.99%的Ag，生长厚度为140 nm。
完成上述步骤后取出样品，制备完毕。
经过透射电镜截面与能谱分析，介质层结构为Al x In2-x O3(20 nm)/In2O3(30 nm)，单元结构为Ag/Al x In2-x O3/In2O3/Pt/Ti/SiO2/Si。正常情况下，所制备的介质层结构应当为Al2O3/In2O3。但是由于Al2O3的前驱体溶液中添加有硝酸，热处理过程中会腐蚀In2O3的上表面，使部分In2O3溶解混入到Al2O3的前驱体溶液中。因此，在对Al2O3的前驱体溶液进行热处理后会形成Al x In2-x O3混合介质层。其中，In2O3是一种氧空位形成能较低(<2 eV)的介质层，而Al2O3是一种氧空位形成能较高(>6 eV)的介质层。采用半导体分析仪对单元的电学特性进行表征。由图2可以看出，当操作电压仅为0.27 V时，单元中电流发生突变，实现状态切换。
实施例2
将长1 cm，宽1 cm的Pt/Ti/SiO2/Si衬底分别用丙酮、异丙醇、去离子水清洗，烘干后备用。
配置0.22 mol/L的硝酸铟水溶液并搅拌24 h后待用。
称取一定量固体硝酸铝溶解于2.5 ml 双氧水(30%)中，配置成0.18 mol/L的硝酸铝溶液。
向硝酸铝溶液中加入111 μL氨水和75 μL硝酸，并搅拌24 h得到硝酸铝混合溶液。
将硝酸铟水溶液旋涂在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上，之后置于加热板上加热5 min。该过程重复操作4次。随后将样品至于退火炉中150 ℃退火1 h，之后让样品自然冷却至室温。
样品取出后，将硝酸铝混合溶液在样品上旋涂，之后置于退火炉中150 ℃退火30min。该过程重复操作3次。之后让样品自然冷却至室温。
样品取出后用孔径100 μm的掩膜板遮盖，再置于电子束蒸发镀膜机中生长上电极，溅射靶材为99.99%的Ag，生长厚度为140 nm。
完成上述步骤后取出样品，制备完毕。
实施例3
将长1 cm，宽1 cm的Pt/Ti/SiO2/Si衬底分别用丙酮、异丙醇、去离子水清洗，烘干后备用。
配置0.22 mol/L的硝酸铟水溶液并搅拌24 h后待用。
称取一定量固体硝酸铝溶解于2.5 ml 双氧水(30%)中，配置成0.2 mol/L的硝酸铝溶液。
向硝酸铝溶液中加入111 μL氨水和75 μL硝酸，并搅拌24 h得到硝酸铝混合溶液。
将硝酸铟水溶液旋涂在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上，之后置于加热板上加热5 min。该过程重复操作4次。随后将样品至于退火炉中180 ℃退火1 h，之后让样品自然冷却至室温。
样品取出后，将硝酸铝混合溶液在样品上旋涂，之后置于退火炉中150 ℃退火30min。该过程重复操作2次。之后让样品自然冷却至室温。
样品取出后用孔径100 μm的掩膜板遮盖，再置于电子束蒸发镀膜机中生长上电极，溅射靶材为99.99%的Au，生长厚度为140 nm。
完成上述步骤后取出样品，制备完毕。
对比例1
为了说明经腐蚀产生的混合层的作用，制备了Ag/Al2O3/Pt/Ti/SiO2/Si单元，除了未制备In2O3层外，其余和实施例1一致。
由图4可以看出，单元需要较高的激活电压，达到了1.82 V，显著高于实施例1。
对比例2
为了说明经腐蚀产生的混合层的作用，制备了Ag/In2O3/Pt/Ti/SiO2/Si单元，除了未制备Al2O3层外，其余和实施例1一致。
由图6可以看出，单元始终处于高电流状态，无法实现状态切换。即单元不具备阻变特性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、对导电衬底进行表面清洗和预处理后待用；
步骤2)、随后，在导电衬底上生长并热处理后得到介质层S1；
步骤3)、配制介质层S2的前驱体溶液A2，并加入腐蚀剂得到混合前驱体溶液A3；
步骤4)、将混合前驱体溶液A3旋涂在介质层S1上并热处理得到复合介质层S2(1)/S1；
步骤5)、在复合介质层S2(1)/S1上蒸镀顶电极，完成制备。
2.根据权利要求1所述的一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤2)中所述介质层S1为ITO、IZO、In2O3、InO x 中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤2)中所述热处理的温度为100-300 ℃。
4.根据权利要求1所述的一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤3)中所述介质层S2为Al2O3。
5.根据权利要求1所述的一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤3)中所述前驱体溶液A2中，溶剂为H2O2。
6.根据权利要求1所述的一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤3)中所述前驱体溶液A2的浓度为0.05 mol/L-0.3 mol/L。
7.根据权利要求1所述的一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤3)中所述腐蚀剂为NH3·H2O和HNO3。
8.根据权利要求1所述的一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤4)中所述热处理的温度为100-200 ℃。
9.根据权利要求1所述的一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤4)中所述介质层S2(1)的厚度为10-40 nm。
10.根据权利要求1所述的一种低激活电压阻变器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤4)中所述介质层S2(1)，为介质层S2与部分介质层S1形成的混合层；步骤5)中所述顶电极为Au、Ag、Ni、Al、Pt中的一种或几种。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109461812A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-03-12 | 西交利物浦大学 | 基于铝氧化物的rram及其制备方法 |
| CN110289351A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-09-27 | 湘潭大学 | 一种抗辐照柔性阻变单元器件及其制备方法和在柔性阻变存储器中的应用 |
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| US20060286762A1 (en) * | 2005-06-15 | 2006-12-21 | Winbond Electronics Corp. | Method for non-volatile memory fabrication |
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2018
- 2018-04-27 CN CN201810396055.7A patent/CN108447987B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN109461812B (zh) * | 2018-09-27 | 2022-07-29 | 西交利物浦大学 | 基于铝氧化物的rram及其制备方法 |
| CN110289351A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-09-27 | 湘潭大学 | 一种抗辐照柔性阻变单元器件及其制备方法和在柔性阻变存储器中的应用 |
| CN110289351B (zh) * | 2019-07-05 | 2023-04-07 | 湘潭大学 | 一种抗辐照柔性阻变单元器件及其制备方法和在柔性阻变存储器中的应用 |
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