CN112909168A - 一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件及其制备方法，该多功能存储器件包括：底电极，转变层和顶电极；转变层的材料为锂掺杂氧化铌薄膜。本申请的多功能存储器件，转变层的材料为锂掺杂氧化铌薄膜。且氧化铌是一种良好的相变材料，制备工艺简单；该材料价格较低，成本可控；本申请采用锂掺杂氧化铌作为转变层，由于锂金属易氧化且与氧空位相互作用，锂和氧空位一起形成的导电细丝更加稳定，故而使得基于该器件阻变过程中的最低限流低至500μA时实现稳定的双极性转变性能。同时基于该材料所得的器件还具有良好的忆阻特性，并且可以用来模拟神经突触；本申请的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，也可实现选通性能。
Description
技术领域
本发明涉及信息存储技术领域，尤其涉及一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件及其制备方法。
背景技术
随着科技的不断进步与发展，大数据时代的来临，使人们对于数据存储的需求不断增大。在数据存储技术中，半导体存储器的发展至关重要，目前市场上的半导体存储器主要包括有动态随机存储器(DRAM)和Flash存储器。其中非挥发性的Flash存储设备已成为目前应用最为广泛的存储器产品之一。
但是Flash存储存在明显的不足，一方面它的擦写速度较慢，擦写寿命仅有105～106次，导致在信息的存储速度和擦写耐受性方面无法满足需求。另一方面，Flash持续微缩到20nm以下技术节点后面临一系列技术限制和理论极限，所以发展新的存储技术和新的存储器件或结构也是未来的必然趋势。为了取代Flash存储技术，新型的存储技术，如铁电存储器(FeRAM)、相变存储器(PCRAM)、磁阻存储器(MRAM)和阻变存储器(RRAM)等应运而生。RRAM是一种新型非易失性存储器，在外加电压的作用下实现导电通道的开关切换，得到高阻态或者低阻态的性能，从而实现数据的储存。阻变存储器的存储原理较简单，根据施加在金属氧化物或者其它阻变材料上电压的不同，器件的电阻会在高阻态或者低阻态之间的转变，且阻态可以保持。其基本结构为上、下电极以及电阻转变层组成的三明治结构。
虽然RRAM是目前最具有应用前景的下一代非易失性存储器之一，但是存储阵列的串扰问题会造成信息误读等严重错误，使存储信息的可靠性大幅度降低。串扰问题是由存储阵列产生漏电流引起的，而这些漏电流可能导致无意义的存储器寻址和读取。选通管具有较高的非线性和较高的导通电流密度，在不影响工作器件的同时抑制其他通路的漏电流，因此选通管成为RRAM集成的克服串扰问题的优选方案，以满足高密度存储的需求。
阻变存储器也可实现忆阻性能。与普通的电阻不同，忆阻器的阻值会根据不同激励进行调节，并且当切断电源时，它的阻值会停留在断电前的状态。除了它的“三明治”结构和生物上的神经突触的构造很相似以外，电激励作用下的基于阳离子(如Ag+、Cu2+)或阴离子(O2-)在记忆层中的影响，得到电导渐变的现象与由于Ca2+、Na+、K+和Cl-在突触中的运动和交换而产生的突触权重很相似，因此可以将忆阻器引入到各种人工神经网络中，为实际的智能应用铺平道路。
阻变存储器的电阻转变机理与器件材料的性能是息息相关的，且由于制备器件的转变层材料范围非常广泛，而制备器件使用的材料不同或者制备器件的工艺不同，都会导致器件具有不同的性能。当前，为了降低制造成本，优化制备工艺，实现性能稳定、多功能的器件，新的转变层材料的选用和制备成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件及其制备方法，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。
第一方面，本发明提供了一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，包括：
底电极；
转变层，位于所述底电极一侧表面；
顶电极，位于所述转变层远离所述底电极一侧表面；
其中，所述转变层的材料为锂掺杂氧化铌薄膜。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，所述底电极的材料为Ti、Pt、W或TiN中的一种；所述顶电极的材料为Pt或Ti中的一种。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，所述底电极的厚度为50～300nm，所述转变层的厚度为10～40nm，所述顶电极的厚度为50～300nm。
第二方面，本发明还提供了一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，包括以下步骤：
提供底电极；
在所述底电极表面制备转变层；
在所述转变层远离所述底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，所述转变层的材料为锂掺杂氧化铌薄膜。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，所述转变层的制备方法具体为：以铌酸锂为靶材，利用磁控溅射法在所述底电极表面沉积得到锂掺杂氧化铌薄膜即得转变层。
进一步优选的，所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，所述磁控溅射控制的工艺条件为：溅射功率为100～140W、溅射时间为200～600s。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，所述顶电极的材料为Pt，所述顶电极的制备方法具体为：以铂为靶材，利用磁控溅射法在所述转变层表面沉积得到铂即得顶电极。
进一步优选的，所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，所述磁控溅射控制的工艺条件为：溅射功率为80～120W、溅射时间为200～1200s。
本发明的一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本申请的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，转变层的材料为锂掺杂氧化铌薄膜。氧化铌是一种良好的相变材料，制备工艺简单；铌酸锂这种材料价格较低，成本可控，有利于实际应用；
(2)本申请的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，采用锂掺杂氧化铌作为转变层，由于锂金属易氧化且与氧空位相互作用，锂和氧空位一起形成的导电细丝更加稳定；故而使得基于该器件阻变过程中的最低限流低至500μA时，仍可实现稳定的双极性转变性能；
(3)本申请的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，采用锂掺杂氧化铌作为转变层，基于该材料所得的器件具有良好的忆阻特性，并且能用来模拟神经突触，即可以实现长时程可塑性(LTP/LTD)和脉冲时间依赖可塑性(STDP)这两种性能；LTP/LTD性能表现出电导的变化和生物神经突触权重调制相似，所以器件可以实现生物神经突触的增强和抑制特性的转换，且STDP性能的实现进一步表明器件具有训练和学习能力的潜力，可以应用于神经形态系统，故器件具有优异的神经突触仿生性能；
(4)本申请的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，还可实现选通性能。如图4所示，可在800μA的限流条件下稳定工作，即具有高的开态电流密度和抗过冲电流的特点，更有利于实现选通管的工业化应用；
(5)本申请的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，从整体上看，在不同限流时表现出较好的耐受性，因此能够实现多级储存，且具有稳定的SET电压、RESET电压和明显的存储窗口。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的Forming过程的I-V测试结果图；
图3为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的电压概率图；
图4为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的直流I-V循环测试图；
图5为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的500μA限流的阻变性能直流I-V循环测试图；
图6为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的1mA限流的阻变性能直流I-V循环测试图；
图7为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的3mA限流的阻变性能直流I-V循环测试图；
图8为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的5mA限流的阻变性能直流I-V循环测试图；
图9为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的10mA限流的阻变性能直流I-V循环测试图；
图10为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的忆阻性能直流扫描I-V测试图；
图11为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的忆阻性能的LTP/LTD测试图；
图12为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的忆阻性能的LTP/LTD连续四圈测试图；
图13为本发明的实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的忆阻性能的STDP测试图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，包括：
底电极1；
转变层2，位于底电极1一侧表面；
顶电极3，位于转变层2远离底电极1一侧表面；
其中，转变层2的材料为锂掺杂氧化铌薄膜。
需要说明的是，本申请实施例中的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，由下到上依次包括底电极1、转变层2和顶电极3，其中，转变层2的材料为锂掺杂氧化铌薄膜，即转变层2的材料为LiNbOx，氧化铌是一种良好的相变材料，制备工艺简单；而转变层2是利用铌酸锂为靶材制备得到，铌酸锂这种材料价格较低，成本可控，有利于实际应用；本申请采用锂掺杂氧化铌作为转变层，由于锂金属易氧化且与氧空位相互作用，锂和氧空位一起形成的导电细丝更加稳定；故而使得基于该器件阻变过程中的最低限流低至500μA时，仍可实现稳定的双极性转变性能；本申请采用锂掺杂氧化铌作为转变层，基于该材料所得的选通管有重要的性能，即具有高的开态电流密度以及可以抗过冲电流的特点；本申请采用锂掺杂氧化铌作为转变层，基于该材料所得的器件具有良好的忆阻特性，并且能用来模拟神经突触，即可以实现长时程可塑性(LTP/LTD)和脉冲时间依赖可塑性(STDP)这两种性能；LTP/LTD性能表现出电导的变化和生物神经突触权重量调制相似，所以器件确实可以模拟生物神经突触的增强和抑制之间的转换，而且STDP性能表明器件具有训练和学习能力的潜力，是可以用于神经形态系统的应用，故而器件具有优异的神经突触仿生性能；本申请采用锂掺杂氧化铌作为转变层，还可实现选通性能；如图4所示，可在800μA的限流条件下稳定工作，即具有高的开态电流密度和抗过冲电流的特点，更有利于实现选通管的工业化应用；从整体上看，本申请的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，在不同限流时表现出较好的耐受性，因此能够实现多级储存，且具有稳定的SET电压、RESET电压和明显的存储窗口。
在一些实施例中，底电极1的材料为Ti、Pt、W或TiN中的一种；顶电极3的材料为Pt或Ti中的一种；具体的，实际中底电极1的材料为TiN，顶电极3的材料为铂，TiN为氮化物，其对氧空位的移动有更好的控制作用，提高了氧空位型导电细丝的可控性；因此，使得多功能存储器件性能更稳定，并且SET电压和RESET电压一致性较好，表现出稳定的存储窗口。
在一些实施例中，底电极1的厚度为50～300nm，转变层2的厚度为10～40nm，顶电极3的厚度为50～300nm。
在一些实施例中，底电极1的截面形状为正方形，转变层2和顶电极3的形状均与底电极1的形状相同。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供底电极；
S2、在底电极表面制备转变层；
S3、在转变层远离底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，转变层的材料为锂掺杂氧化铌薄膜。
在一些实施例中，转变层的制备方法具体为：以铌酸锂为靶材，即LiNbO3靶，利用磁控溅射法在所述底电极表面沉积得到锂掺杂氧化铌薄膜即得转变层；显然实际中除了利用磁控溅射方法制备转换层，还可以采用其他如化学气相沉积、物理气相沉积的方法。
在一些实施例中，转变层的制备方法具体为：在磁控溅射设备中安装铌酸锂靶材后，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在溅射功率为100～140W下，在底电极表面溅射沉积得到锂掺杂氧化铌薄膜，即为转变层，溅射时间为200～600s。
在一些实施例中，顶电极的材料为Pt，顶电极的制备方法具体为：以铂为靶材，利用磁控溅射法在转变层表面沉积得到铂即得顶电极；显然实际中除了利用磁控溅射方法制备顶电极，还可以采用其他如化学气相沉积、物理气相沉积的方法。
在一些实施例中，顶电极的制备方法具体为：在磁控溅射设备中安装铂靶材后，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在溅射功率为100～140W下，在转变层表面溅射沉积得到铂即得到顶电极，溅射时间为200～1200s。
以下进一步以具体实施例说明本申请的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法。
实施例1
本申请实施例提供了一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一带有TiN底电极的载膜基材，具体的，该载膜基材为Si/SiO2/Ti，即依次在Si基底上依次沉积SiO2层、Ti层，然后在Ti层表面沉积TiN层，即制备得到带有TiN底电极的载膜基材；
S2、在磁控溅射设备中安装铌酸锂靶材后，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在溅射功率为120W下，在TiN底电极表面溅射沉积得到锂掺杂氧化铌薄膜，即为转变层，溅射时间为400s；
S3、在磁控溅射设备中安装铂靶材后，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内，控制真空室内的系统压力为4Torr、温度为300K，在溅射功率为140W下，在底电极表面溅射沉积得到铂即得到顶电极，溅射时间为700s。
性能测试
使用安捷伦B1500A半导体参数分析仪测试本申请实施例1中制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的性能。
将实施例1中制备得到的多功能存储器件置于探针台中，用两个探针分别接触多功能存储器件的底电极和顶电极，顶电极接地，底电极接电源。在底电极上先给予0V～10V的电压，使得多功能存储器件软击穿形成导电通道，如图2所示。
图3为实施例1制备得到的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的电压概率图。由图3可知，set过程转变电压在1V左右，而reset过程的转变电压是在-1V左右，由此说明电压限制在一个有限的范围内，具有合理的均匀性。以上得出器件有良好的特性。
按照上述同样的测试方法，改变实施例1中制备得到的多功能存储器件的底电极上的电压大小，施加-1.5V～0V和0V～2V直流扫描电压，为了防止测试过程中电流过大使器件硬击穿，会在正向扫描时会设定一个限制电流，开始设置的限流大小为500μA，测得多功能存储器件的I-V曲线如图4所示，此时I-V曲线表现出明显的选通特性。
而当改变不同的正向电压扫描时的限制电流大小后，如图5、6、7、8、9所示，分别对应的限流为500μA，1mA，3mA，5mA，10mA。这些双极性的阻变I-V图都可以稳定循环测试100圈，并且曲线无明显偏移，说明本发明所得的多功能存储器件具有优异的电学循环稳定性，耐受性好。
对实施例1中制备得到的多功能存储器件进行忆阻性能测试，通过控制set和reset过程的电压，多功能存储器件的电导可以持续地降低或增加。图10是制备得到的多功能存储器件在直流扫描下的I-V曲线图，由图10可知，施加电压每改变一次，器件set和reset过程的电流都没有发生突变，说明其具有良好的渐变电阻开关特性。但是由于模拟生物突触的电子突触器件需要在脉冲信号下工作，而不是在直流扫描下工作，因此实现电压脉冲连续调节器件的电导是模拟生物突触成功实现的关键。
如图11的内嵌脉冲图所示，先给实施例1中制备得到的多功能存储器件50个相同的负脉冲序列，振幅恒定为-1.15V，脉宽0.3s，延迟0.2s，使器件从初始高阻态(HRS)逐步转换为低阻态(LRS)。然后在相同位置给50个脉冲的正脉冲序列，电压恒定为1.05V，脉冲宽度和延迟与负脉冲相同，器件逐渐从LRS返回到HRS。当这两个过程重复多次时，如图12所示，其为图11的四次循环测试结果图，从图12中可以看出，实施例1中制备得到的多功能存储器件可以获得良好的均匀连续的电阻梯度特性，综上所述，当施加固定振幅脉冲时，器件的电导会逐渐改变，类似于生物突触的权重调制，因此本申请制备得到的多功能存储器件能够模拟生物突触增强与抑制之间的转换。
为了研究神经突触模拟生物突触适应性学习规则的能力，本发明模拟了STDP的学习规则。将实施例1中制备得到的多功能存储器件的顶电极和底电极分别作为生物突触的前神经元和后神经元。在生物学中，当前神经元的脉冲先于随后的神经元的脉冲时，突触权重产生长时程增强(LTP)。当后神经元先于前神经元时，突触权重产生长时程减弱(LTD)。在本发明中采用的是常用的振幅叠加法，由于突触权重可以是长时程增强或者长时程减弱，但这是取决于突触脉冲前后的相对时间差。因此用这种方法可以很合理地将突触权重变化与相对时间差联系起来，用于实现脉冲时间依赖可塑性学习规则。而突触权重变化用的是电导率变化来进行模拟，由电压作用前后的电流所得计算公式(公式为Δω＝(Iafter-Ibefore)/Ibefore×100％)。其中Δω是突触权重变化值，而Ibefore和Iafter分别是施加脉冲前和后的0.2V处读取的电流，尖峰定时被定义为脉冲信号的Δt＝tpost-tpre。
如图13所示，本发明设计了一个由16个脉冲组成的脉冲序列，其中8个抑制脉冲和8个增强脉冲作为前尖峰(pre-spike)，前尖峰负脉冲幅值为-0.3V至-0.7V，每步脉冲增加到-0.05V，前峰正脉冲幅度为0.4V至0.7V，每步脉冲增加到0.05V；后峰值脉冲序列是由一个单脉冲(0.6V或-0.6V)组成。以上所有脉冲宽度均为1.2μs和延迟时间为0.5μs。尖峰时间(Δt)为-13.6μs至13.6μs，步长为1.7μs。如此，只有当前脉冲和后脉冲重叠时，可以产生一个具有足够振幅的脉冲来调整器件的电导，通过改变Δt得到STDP特性。由图13可以清楚地看出，当相对时间差大于0时(第二象限右下角)，也就是前神经元工作先于后神经元作用时，则表现为长时程增强。而相对时间差小于0时(第三象限左下角)，也就是前神经元后于后神经元作用时，表现为长时程减弱。这表明该器件具有训练和学习能力，可应用于神经形态系统。
由上可知，本申请制备得到的多功能存储器件不仅具有良好的选通特性，同时，具有良好的模拟神经突触行为；而现有专利(申请号201010593299.8)公开了一种基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器，其中间层是掺杂氧化钒，然后该阻变存储器并不具有本申请的模拟神经突触行为，因而该阻变存储器不具备多功能性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，其特征在于，包括：
底电极；
转变层，位于所述底电极一侧表面；
顶电极，位于所述转变层远离所述底电极一侧表面；
其中，所述转变层的材料为锂掺杂氧化铌薄膜。
2.如权利要求1所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，其特征在于，所述底电极的材料为Ti、Pt、W或TiN中的一种；所述顶电极的材料为Pt或Ti中的一种。
3.如权利要求1所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件，其特征在于，所述底电极的厚度为50～300nm，所述转变层的厚度为10～40nm，所述顶电极的厚度为50～300nm。
4.一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供底电极；
在所述底电极表面制备转变层；
在所述转变层远离所述底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，所述转变层的材料为锂掺杂氧化铌薄膜。
5.如权利要求4所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，其特征在于，所述转变层的制备方法具体为：以铌酸锂为靶材，利用磁控溅射法在所述底电极表面沉积得到锂掺杂氧化铌薄膜即得转变层。
6.如权利要求5所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射控制的工艺条件为：溅射功率为100～140W、溅射时间为200～600s。
7.如权利要求4所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，其特征在于，所述顶电极的材料为Pt，所述顶电极的制备方法具体为：以铂为靶材，利用磁控溅射法在所述转变层表面沉积得到铂即得顶电极。
8.如权利要求7所述的基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射控制的工艺条件为：溅射功率为80～120W、溅射时间为200～1200s。
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