CN114203900A - 一种多功能忆阻器及其调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能忆阻器及其调控方法，其调控方法包括：在底电极上形成原始薄膜，所述原始薄膜为包括含In和Se的化合物薄膜；通过氧等离子体工艺对所述原始薄膜进行处理，将原始薄膜表层氧化为氧化层，形成阻变层，所述阻变层包括氧化层和剩余的原始薄膜；在所述阻变层上制备顶电极，形成忆阻器；其中，在形成阻变层期间，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，调控阻变层内导电细丝的形态，改变忆阻器的易失性或非易失性。本申请可以基于一种材料，通过改变器件制备期间的工艺参数，得到不同性能的忆阻器，基于同一种材料实现忆阻器的多功能调控，有利于简化大规模集成电路的工艺与结构。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，更具体地，涉及一种多功能忆阻器及其调控方法。
背景技术
忆阻器，是一种基于“记忆”外加电压或电流历史而动态改变其内部电阻状态的电阻开关。自2008年惠普实验室首次从实验上验证了忆阻器模型的存在后，忆阻器迅速得到了科学界和企业界的关注。忆阻器凭借其简单的结构、高存储密度、与CMOS工艺兼容等优点，成为半导体信息领域的研究热点。
目前报道的阻变式忆阻器依据阻变特性来分类主要有两类：非易失性和易失性。对于非易失性忆阻器，可用于信息存储和模拟长时突触可塑性等。对于易失性忆阻器，可用于模拟神经元的工作过程，短时突触可塑性，适用于大规模的选择器阵列。然而，目前制备非易失性忆阻器和易失性忆阻器时，需选择完全不同的阻变层材料制备，即目前报道的忆阻器多为单一功能器件，多功能的实现需要同其它材料或者器件进行结合，这会导致在大规模集成中面临着较为复杂的工艺。因此，如何基于同种材料、简单的结构实现非易失性和易失性的功能仍是目前研究的一个难点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能忆阻器及其调控方法，其目的在于解决忆阻器功能单一且难以调控的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多功能忆阻器的调控方法，其包括：
在底电极上形成原始薄膜，所述原始薄膜为包括含In和Se的化合物薄膜；
通过氧等离子体工艺对所述原始薄膜进行处理，将原始薄膜表层氧化为氧化层，形成阻变层，所述阻变层包括氧化层和剩余的原始薄膜；
在所述阻变层上制备顶电极，形成忆阻器；
其中，在形成阻变层期间，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，调控阻变层内导电细丝的形态，改变忆阻器的易失性或非易失性。
优选地，所述原始薄膜包括InSe、In2Se3或其中间过渡态化合物中的至少一种。
优选地，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，调控阻变层内导电细丝的形态，改变忆阻器的易失性或非易失性，包括：
当预形成易失性忆阻器时，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，形成的氧化层和剩余的原始薄膜的厚度比小于1；
当预形成非易失性忆阻器时，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，形成的氧化层和剩余的原始薄膜的厚度比大于1。
优选地，其特征在于，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，调控阻变层内导电细丝的形态，包括：
当预形成易失性忆阻器时，缩短工艺时长，减小氧化层的厚度；
当预形成非易失性忆阻器时，加长工艺时长，增加氧化层的厚度。
优选地，
在氧等离子工艺之前，原始薄膜的厚度范围为6-20nm，在氧等离子工艺期间，设置氧等离子体工艺压强范围为10-30Pa，工艺功率范围为20-60W；
当预形成易失性忆阻器时，控制工艺时长范围为2-5min；
当预形成非易失性忆阻器时，控制工艺时长范围为5-10min。
优选地，所述在底电极上形成原始薄膜，包括：通过机械剥离和干法转移将原始薄膜定向转移到底电极上。
优选地，所述顶电极和底电极呈十字交叉结构。
优选地，所述底电极为金、钛、铂和铬其中一种金属的单层电极或者至少两种金属叠加形成的多层电极；所述顶电极为金、铂、银或铜形成的单层电极。
按照本发明的另一方面，提供了一种忆阻器，包括顶电极、底电极和夹设于两电极之间的阻变层，其中，所述阻变层包括原始薄膜和形成于原始薄膜的氧化层，所述氧化层为原始薄膜经氧等离子体工艺处理而成，所述原始薄膜含In和Se的化合物薄膜。
优选地，所述原始薄膜包括InSe、In2Se3或其中间过渡态化合物中的至少一种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于在本申请中，原始薄膜选用含In和Se的化合物薄膜。研发人员经研究发现，氧等离子体工艺的处理下，原始薄膜表层被氧化成氧化层，且原始薄膜内部的结构在等离子体轰击下发生改变，当氧化层的厚度结合原始薄膜内部晶格结构的变化，会影响导电细丝的形态，最终改变忆阻器的性能。因此，在本申请中，选用用含In和Se的化合物薄膜做原始薄膜，通过施加氧等离子体进行处理，并根据需要控制氧等离子体的工艺参数，若想要得到易失性忆阻器，则调节等离子体工艺的处理参数，生成较薄的氧化层；若想要得到非易失性忆阻器，则调节等离子体工艺的处理参数，生成较厚的氧化层。因此，本申请可以基于一种材料，通过改变器件制备期间得工艺参数，得到不同性能的忆阻器，基于同一种材料实现忆阻器的多功能调控，有利于简化大规模集成电路的工艺与结构。同时，经过氧等离子体在原始薄膜表层生成一层氧化层，也可以使原始薄膜与空气隔离，避免两者反应，使器件性能更加稳定。
附图说明
图1是本申请一实施例中的多功能忆阻器的调控方法的步骤流程图；
图2是本申请一实施例中的忆阻器结构低倍扫描电镜图；
图3是本申请一实施例中的硒化铟材料在氧化前后的拉曼光谱图；
图4是本申请一实施例中的忆阻器的基础电学性能图；
图5是本申请一实施例中的忆阻器在空气中的稳定性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示为本申请一实施例中多功能忆阻器的调控方法的步骤流程图，该方法包括：
步骤S100：在底电极上形成原始薄膜，所述原始薄膜为包括含In和Se的化合物薄膜。
步骤S200：通过氧等离子体工艺对所述原始薄膜进行处理，将原始薄膜表层氧化为氧化层，形成阻变层，所述阻变层包括氧化层和剩余的原始薄膜；通过调控氧等离子体工艺的处理参数，调控阻变层内导电细丝的形态。
步骤S300：在所述阻变层上制备顶电极，形成忆阻器。
在本申请中，原始薄膜选用含In和Se的化合物薄膜。研发人员经研究发现，在氧等离子体工艺的处理下，原始薄膜表层被氧化成氧化层，且原始薄膜内部的结构在等离子体轰击下发生改变，当氧化层的厚度结合原始薄膜内部晶格结构的变化，会影响导电细丝的形态，最终改变忆阻器的性能。因此，在本申请中，选用用含In和Se的化合物薄膜做原始薄膜，通过施加氧等离子体进行处理，并根据需要控制氧等离子体的工艺参数，若想要得到易失性忆阻器，则调节等离子体工艺的处理参数，生成较薄的氧化层；若想要得到非易失性忆阻器，则调节等离子体工艺的处理参数，生成较厚的氧化层。因此，本申请可以基于一种材料，通过改变器件制备期间的工艺参数，得到不同性能的忆阻器，基于同一种材料实现忆阻器的多功能调控，有利于简化大规模集成电路的工艺与结构。同时，经过氧等离子体在原始薄膜表层生成一层氧化层，也可以使原始薄膜与空气隔离，避免两者反应，使器件性能更加稳定。
在一实施例中，包括含In和Se的化合物薄膜具体可以为nSe、In2Se3或其中间过渡态化合物中的至少一种。
在一实施例中，步骤S100中，在底电极上形成原始薄膜，包括两个子步骤：
步骤S110：在基地上制备底电极。
在一实施例中，可以在硅衬底上采用紫外光刻和电子束蒸镀技术制备底电极。具体可采用紫外光刻工艺在SiO2/Si衬底制备底电极的图案，然后通过电子束蒸镀技术沉积底电极材料，底电极材料为钛和金，厚度在10nm-30nm，结束后用丙酮洗去多余的光刻胶所述底电极。具体的，底电极为金、钛、铂和铬其中一种金属形成的单层电极，或者至少两种金属分别形成的电极叠加得到的多层电极。具体的，底电极的厚度为80nm-100nm。
在一实施例中，在制备底电极之前，还可以对基地进行清洗，即将SiO2/Si衬底分别用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗15分钟，取出后用氮气吹干。
步骤S120：在底电极上形成原始薄膜。
在一实施例中，通过机械剥离和干法转移将原始薄膜定向转移到底电极上。
其中，机械剥离为通过胶带从原始薄膜的单晶材料上粘贴撕下部分材料，然后取干净胶带反复对撕，直至胶带上的材料颜色逐渐变淡，在胶带上得到二维原始薄膜。
其中，干法转移为选取约合适的聚二甲基硅氧烷薄膜(PDMS膜)，将带有原始材料的胶带贴在PDMS膜上，用力按压，部分二维材料被转移到PDMS膜上。再借助二维定向转移平台，在显微镜的视野下选取合适厚度的二维硒化铟薄膜，然后对准、贴合、加热，即可将选取的二维硒化铟薄膜转移到目标电极上。
以硒化铟(InSe)薄膜为例说明。
首先，通过scotch胶带从硒化铟单晶上撕下部分硒化铟材料，然后取干净胶带反复对撕，直至胶带上的材料颜色逐渐变淡即可。紧接着，通过干法转移的方法将二维硒化铟薄膜转移到目标底电极上。即选取约1cm×1cm大小的PDMS膜，将带有硒化铟材料的胶带贴在PDMS膜上，用力按压5分钟后，部分二维材料被转移到PDMS膜上。再借助二维定向转移平台，在显微镜的视野下选取合适厚度的二维硒化铟薄膜，然后对准、贴合、加热，即可将选取的二维硒化铟薄膜转移到目标电极上。二维硒化铟薄膜的选取尽量选择平整、没有裂纹的薄膜，贴合过程不能太快，需要让材料和硅衬底以及底电极之间缓慢贴合。加热温度控制在60—80℃，时间控制在5-10分钟，避免长时间的加热造成材料的氧化。
在一实施例中，步骤200通过氧等离子体工艺对所述原始薄膜进行处理，具体为：
当预形成易失性忆阻器时，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，形成的氧化层和剩余的原始薄膜的厚度比小于1；
当预形成非易失性忆阻器时，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，形成的氧化层和剩余的原始薄膜的厚度比大于1。
图3是薄膜硒化铟材料在氧化前后的拉曼光谱图。从图中可以看出，相较于未氧化的硒化铟，氧化后的硒化铟在115cm-1，177cm-1和226cm-1处的特征峰均消失了，在255cm-1处出现了一个新的峰，表明硒化铟被氧化。
进一步的，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，实际可以调控工艺时长，具体包括：
当预形成易失性忆阻器时，缩短工艺时长，减小氧化层的厚度；
当预形成非易失性忆阻器时，加长工艺时长，增加氧化层的厚度。
在一具体的实施例中，在氧等离子工艺之前，原始薄膜的厚度范围为6-20nm，在氧等离子工艺期间，设置氧等离子体工艺压强范围为10-30Pa，工艺功率范围为20-60W；
当预形成易失性忆阻器时，控制工艺时长范围为2-5min；
当预形成非易失性忆阻器时，控制工艺时长范围为5-10min。
上述等离子体工艺均是在真空腔内进行。
在步骤S300中，制备顶电极，具体用紫外光刻工艺和电子束蒸镀技术在阻变层上制备顶电极。顶电极的厚度为80nm-100nm。具体的，顶电极可为金、铂、银或铜形成的单层电极。在一实施例中，如图2所示，顶电极和底电极呈十字交叉结构。
以下以几个具体的实施例进行说明。
实施例1
1)基底的清洗：将SiO2/Si衬底分别用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗15分钟，取出后用氮气吹干。
2)底电极的制备：采用紫外光刻工艺在SiO2/Si衬底制备底电极的图案，然后通过电子束蒸镀技术沉积底电极材料，底电极材料为钛和金，厚度在10nm-30nm，结束后用丙酮洗去多余的光刻胶。
3)阻变层的制备：通过机械剥离和干法转移将二维硒化铟薄膜定向转移到底电极上，然后在真空腔内通过氧等离子体处理，处理功率为20W，处理时间为2min；
4)顶电极的制备：在步骤3的基础上，通过紫外光刻工艺制备出顶电极图案，然后通过电子束蒸镀技术沉积顶电极材料，顶电极材料为银，厚度在80nm-100nm，结束后用丙酮洗去多余的光刻胶。
实施例2
实施例2与实施例1的制备方法和步骤相同，唯一的不同在于将氧等离子体处理时间设置为4min。
实施例3
实施例3与实施例1的制备方法和步骤相同，唯一的不同在于将氧等离子体处理时间设置为6min。
实施例4
实施例4与实施例1的制备方法和步骤相同，唯一的不同在于将氧等离子体处理时间设置为8min。
实施例5
实施例5与实施例1的制备方法和步骤相同，唯一的不同在于将氧等离子体处理时间设置为10min。
为了验证不同工艺参数下的器件性能，测试阻变层未氧化、氧化不同时长制成的忆阻器的I-V特性，如图4所示，其中，图4中的(a)表示阻变层未经氧化的忆阻器，图4中的(b)表示阻变层氧化时间不超过5min的忆阻器，图4中的(c)表示阻变层氧化时间超过5min的忆阻器。从图4中可以看出，氧化时间未超过5min的忆阻器呈现易失特性，而氧化时间超过5min的忆阻器呈现非易失特性。同时，相较于未氧化的忆阻器，氧化后的器件均表现出较好的均一性和耐持久性。同时，如图5所示，氧化后的器件可以在空气中稳定保存至少2个月，具有较好的稳定性。
本申请还涉及一种多功能忆阻器，包括顶电极、底电极和夹设于两电极之间的阻变层，其特征在于，所述阻变层包括原始薄膜和形成于原始薄膜的氧化层，所述氧化层为原始薄膜经氧等离子体工艺处理而成，所述原始薄膜含In和Se的化合物薄膜。所述原始薄膜包括InSe、In2Se3或其中间过渡态化合物中的至少一种。也即，通过上述任意一种方法制备所得到的忆阻器也属于本申请所要保护的范围之内。
在本申请中，原始薄膜选用含In和Se的化合物薄膜。研发人员经研究发现，氧等离子体工艺的处理下，原始薄膜表层被氧化成氧化层，且原始薄膜内部的结构在等离子体轰击下发生改变，当氧化层的厚度结合原始薄膜内部晶格结构的变化，会影响导电细丝的形态，最终改变忆阻器的性能。因此，在本申请中，选用用含In和Se的化合物薄膜做原始薄膜，通过施加氧等离子体进行处理，并根据需要控制氧等离子体的工艺参数，若想要得到易失性忆阻器，则调节等离子体工艺的处理参数，生成较薄的氧化层；若想要得到非易失性忆阻器，则调节等离子体工艺的处理参数，生成较厚的氧化层。因此，本申请可以基于一种材料，通过改变器件制备期间得工艺参数，得到不同性能的忆阻器，基于同一种材料实现忆阻器的多功能调控，有利于简化大规模集成电路的工艺与结构。同时，经过氧等离子体在原始薄膜表层生成一层氧化层，也可以使原始薄膜与空气隔离，避免两者反应，使器件性能更加稳定。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能忆阻器的调控方法，其特征在于，包括：
在底电极上形成原始薄膜，所述原始薄膜为包括含In和Se的化合物薄膜；
通过氧等离子体工艺对所述原始薄膜进行处理，将原始薄膜表层氧化为氧化层，形成阻变层，所述阻变层包括氧化层和剩余的原始薄膜；
在所述阻变层上制备顶电极，形成忆阻器；
其中，在形成阻变层期间，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，调控阻变层内导电细丝的形态，改变忆阻器的易失性或非易失性。
2.如权利要求1所述的多功能忆阻器的调控方法，其特征在于，所述原始薄膜包括InSe、In2Se3或其中间过渡态化合物中的至少一种。
3.如权利要求1所述的多功能忆阻器的调控方法，其特征在于，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，调控阻变层内导电细丝的形态，改变忆阻器的易失性或非易失性，包括：
当预形成易失性忆阻器时，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，形成的氧化层和剩余的原始薄膜的厚度比小于1；
当预形成非易失性忆阻器时，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，形成的氧化层和剩余的原始薄膜的厚度比大于1。
4.如权利要求1所述的多功能忆阻器的调控方法，其特征在于，其特征在于，通过调控氧等离子体工艺的处理参数，调控阻变层内导电细丝的形态，包括：
当预形成易失性忆阻器时，缩短工艺时长，减小氧化层的厚度；
当预形成非易失性忆阻器时，加长工艺时长，增加氧化层的厚度。
5.如权利要求4所述的多功能忆阻器的调控方法，其特征在于，
在氧等离子工艺之前，原始薄膜的厚度范围为6-20nm，在氧等离子工艺期间，设置氧等离子体工艺压强范围为10-30Pa，工艺功率范围为20-60W；
当预形成易失性忆阻器时，控制工艺时长范围为2-5min；
当预形成非易失性忆阻器时，控制工艺时长范围为5-10min。
6.如权利要求1所述的多功能忆阻器的调控方法，其特征在于，所述在底电极上形成原始薄膜，包括：通过机械剥离和干法转移将原始薄膜定向转移到底电极上。
7.如权利要求1所述的多功能忆阻器的调控方法，其特征在于，所述顶电极和底电极呈十字交叉结构。
8.如权利要求1所述的多功能忆阻器的调控方法，其特征在于，所述底电极为金、钛、铂和铬其中一种金属的单层电极或者至少两种金属叠加形成的多层电极；所述顶电极为金、铂、银或铜形成的单层电极。
9.一种多功能忆阻器，包括顶电极、底电极和夹设于两电极之间的阻变层，其特征在于，所述阻变层包括原始薄膜和形成于原始薄膜的氧化层，所述氧化层为原始薄膜经氧等离子体工艺处理而成，所述原始薄膜含In和Se的化合物薄膜。
10.如权利要求9所述的多功能忆阻器，其特征在于，所述原始薄膜包括InSe、In2Se3或其中间过渡态化合物中的至少一种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111287968.3A CN114203900A (zh) | 2021-11-02 | 2021-11-02 | 一种多功能忆阻器及其调控方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111287968.3A CN114203900A (zh) | 2021-11-02 | 2021-11-02 | 一种多功能忆阻器及其调控方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114203900A true CN114203900A (zh) | 2022-03-18 |
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ID=80646653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111287968.3A Pending CN114203900A (zh) | 2021-11-02 | 2021-11-02 | 一种多功能忆阻器及其调控方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114203900A (zh) |
-
2021
- 2021-11-02 CN CN202111287968.3A patent/CN114203900A/zh active Pending
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