CN114709331B - 一种忆阻器及其制备方法 - Google Patents

一种忆阻器及其制备方法

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Abstract

本发明公开了一种忆阻器及其制备方法。忆阻器的阻变介质层由二氧化钛与稀土氧化物形成，使忆阻器件至少具有四种稳定阻态，甚至可以引入更多阻态，克服了基于单一材料的忆阻器件中存在的阻态不稳定，鲁棒性差等问题。且具有稳定性更好，漏电流更低的特点。同时，本发明提出的制备方法赋予了二氧化钛介质更高的氧空位浓度，导电细丝更容易形成，器件表现出更快的开关速度。

Description

一种忆阻器及其制备方法
技术领域
本发明涉及属于微电子技术和存储器件领域，具体涉及一种基于多种阻变介质的忆阻器及其制备方法。
背景技术
传统的晶体管仅能实现“0”和“1”两种阻态间的切换，不能满足高度集成和高速计算的IC行业的需求，因此需要迫切寻找可替代的多阻态新型存储或计算单元器件。忆阻器的出现为行业带来新的希望。这是一种新型纳米器件，阻值与流经的电荷相关且具有非易失性，既可以实现存储功能，也可以实现计算功能。基于忆阻器的随机存储器的集成度、功耗以及读写速度都要比传统的随机存储器优越，在信息存储、混沌电路、存算一体芯片、人工神经网络等众多方向具有广泛的应用前途。
目前研究较多的忆阻器结构一般由金属电极/阻变介质/金属电极三部分组成，其中阻变介质一般为氧化物材料，在外加电场驱动下，实现氧空位的形成与迁移，从而实现导电细丝的形成与断开，完成高低阻态甚至多阻态之间的连续可逆转化。如果想要进一步实现多值存储，将对器件多阻态的稳定性和一致性提出更高的要求。
上述三明治结构的阻态主要由中间阻变介质层的材料决定。目前研究关注比较多的忆阻材料为二氧化钛，因为二氧化钛中含有丰富的氧空位缺陷。另外，稀土类氧化物，比如HfOx，TaOx，IrOx等也是近期研究较火热的忆阻材料，它们都具有丰富的氧空位缺陷。
然而，单一材料在对器件多阻态的把控上具有一定随机性，而且随着时间的推移，其多阻态的可靠性必然受到材料变化而影响，难以保证数据的可靠读取。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于多种阻变介质的忆阻器及其制备方法，通过新结构构筑，实现多种忆阻材料融合的稳定的多阻态忆阻器件设计。
为解决上述问题，本发明提供了一种忆阻器，忆阻器包括上电极、阻变介质层和下电极，阻变介质层包括二氧化钛和稀土氧化物；在阻变介质层的横截面上，阻变介质层的结构为条形二氧化钛和条形稀土氧化物彼此间隔排列的栅格状结构；或者，在阻变介质层的横截面上，阻变介质层的结构为稀土氧化物呈点阵镶嵌分布在二氧化钛中的结构。
优选地，稀土氧化物的材料为HfOx、TaOx或IrOx，或者为其中至少两者的混合物。
优选地，上电极和下电极的厚度为80-100nm；阻变介质层的厚度为50-100nm。
本发明还提供了一种忆阻器的制备方法，制备方法包括：
步骤S1：在下电极上制备二氧化钛薄膜；
步骤S2：在二氧化钛薄膜上制备图案化金属层，图案化金属层为条形栅格状或者未被图案化金属层覆盖的区域呈点阵状；
步骤S3：以图案化金属层为掩膜，采用反应离子刻蚀的方法刻蚀二氧化钛薄膜至下电极；
步骤S4：沉积稀土氧化物层，稀土氧化物层与二氧化钛薄膜的厚度相同；
步骤S5：去除图案化金属层及其上方的稀土氧化物，形成以二氧化钛为第一阻变介质，稀土氧化物作为第二阻变介质的阻变介质层；
步骤S6：在阻变介质层上沉积上电极，得到忆阻器。
优选地，在步骤S1中，采用溶胶凝胶法在下电极上制备二氧化钛薄膜，二氧化钛薄膜的厚度为50-100nm。
优选地，在步骤S3的采用反应离子刻蚀的方法刻蚀二氧化钛薄膜的过程中通入氧气。
优选地，下电极为常温下难溶于王水的电极；步骤S5包括：将步骤S4得到的结构浸润在常温的王水中5-30s，使图案化金属层及其上方的稀土氧化物自然剥落。
优选地，稀土氧化物层的材料为HfOx、TaOx或IrOx，或者为其中至少两者的混合物。
优选地，步骤S2中的图案化金属层的厚度为30-50nm，采用热蒸镀、物理气相沉积、化学气相沉积或光刻的方法制备图案化金属层。
优选地，在步骤S1之前还包括步骤S0，步骤S0包括对硅衬底表面进行清洗，清洗后使用氮气枪吹干，再采用热蒸镀、物理气相沉积或化学气相沉积的方法在硅衬底上生长下电极。
本发明的有益效果在于，
(1)本发明提出的基于二氧化钛与稀土氧化物的忆阻器结构，使忆阻器件至少具有基于2种材料的4阻态，甚至可以引入更多阻态，克服了基于单一材料的忆阻器件中存在的阻态不稳定，鲁棒性差等问题。
(2)本发明提出的忆阻器结构存在氧化钛和稀土氧化物两种垂直一体的导电通道，导电细丝在相对独立的空间进行通断，导电细丝稳定性更好，漏电流更低。
(3)本发明提出的忆阻器的制备方法简单，成本低。制备工艺赋予二氧化钛介质更高的氧空位浓度，导电细丝更容易形成，器件表现出更快的开关速度。
(4)介质层的二次沉积使得二氧化钛与稀土氧化物末端存在一定程度的凸起。这些凸起的结构可以引导导电细丝形成，在器件导通过程中，有引导性地形成稳定可靠的导电通道，从而大大提高器件均一性。
附图说明
图1是忆阻器的结构示意图；
图2是阻变介质层的两种结构示意图；
图3是忆阻器的忆阻器的制备方法。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明提出了一种基于两种以上阻变介质的忆阻器，忆阻器包括上电极10、阻变介质层和下电极20，其中，阻变介质层包括二氧化钛31和稀土氧化物32。
在一个实施例中，阻变介质层的结构为如图2(a)所示，在阻变介质层的横截面上，条形二氧化钛31和条形稀土氧化物32彼此间隔排列的栅格状结构。阻变介质层的厚度优选为50-100nm。
在另一个实施例中，阻变介质层的结构为如图2(b)所示，在阻变介质层的横截面上，稀土氧化物32呈点阵镶嵌分布在二氧化钛31中的结构。值得一提的是，稀土氧化物32形成的点阵结构不限于图2(b)所示的结构。
稀土氧化物32的材料为HfOx、TaOx或IrOx，或者为其中至少两者的混合物。当稀土氧化物32为混合物时，可以引入更多阻态。
上电极10的厚度优选为80-100nm。下电极20的厚度优选为80-100nm。
本领域技术人员基于公知的加工制造技术可以得到的制备方法均可用于制造上述忆阻器。本发明提出一种优选的上述忆阻器的制备方法，如图3所示，制备方法包括：
步骤S1，在下电极上制备二氧化钛薄膜。其中二氧化钛薄膜的厚度优选为50-100nm。
下电极为W、Ti、Mo、Ta、Re、Os、Ir、Rh、Ag等常温下极难溶于王水的单层金属电极；或者为其他常温下极难溶于王水的双层金属复合电极和导电金属氧化物电极。
在一个实施例中，采用溶胶凝胶法在下电极上制备二氧化钛薄膜，溶胶凝胶法制备的二氧化钛薄膜具有更多的氧空位缺陷。具体步骤包括，在下电极上以3000rpm，30s的条件旋涂浓度为0.5mol·L-1的双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯溶胶，再经350℃退火30min后即可得到致密的二氧化钛薄膜。值得一提的是，可以通过多次旋涂进行二氧化钛薄膜厚度的调控。此外，可以通过控制退火温度调控二氧化钛的晶型，使其阻态发生变化。
在其他实施例中，也可以采用原子层沉积、物理气相沉积或化学气相沉积等方法制备二氧化钛薄膜。
在一个实施例中，在步骤S1之前还包括步骤S0，步骤S0具体包括对硅衬底表面进行清洗，清洗后使用氮气枪吹干，再采用热蒸镀、物理气相沉积或化学气相沉积等方法在硅衬底上生长下电极。下电极的厚度优选为80-100nm。
步骤S2，在二氧化钛薄膜上制备图案化金属层，图案化金属层为条形栅格状，或者未被图案化金属层覆盖的区域呈点阵状。其中图案化金属层优选为30-50nm的图案化金层。
可选地，图案化金属层可以采用热蒸镀、物理气相沉积、化学气相沉积或光刻等方法制备。上述图案化金属层的制备方法均为本领域的公知常识，不再赘述。
步骤S3，以图案化金属层为掩膜，采用反应离子刻蚀的方法刻蚀二氧化钛薄膜至下电极，形成金属/二氧化钛阵列。
利用金属和二氧化钛对刻蚀气体的反应差异，以图案化金属层为掩膜板，易反应的二氧化钛会优先刻蚀，从而形成金属/二氧化钛阵列。
在一个实施例中，在采用反应离子刻蚀的方法刻蚀二氧化钛薄膜的过程中通入氧气，这将有利于提高二氧化钛中的氧空位浓度，从而使导电细丝更容易形成，器件表现出更快的开关速度。
步骤S4，在金属/二氧化钛阵列上沉积稀土氧化物层，稀土氧化物层与二氧化钛的厚度相同，以使稀土氧化物完全填充刻蚀二氧化钛薄膜后形成的空隙。稀土氧化物层的材料为HfOx、TaOx或IrOx，或者为其中至少两者的混合物。值得一提的是，当稀土氧化物层为混合物时，可以引入更多阻态。
可选地，稀土氧化物层可以采用热蒸镀、物理气相沉积或化学气相沉积等方法制备。
步骤S5，去除图案化金属层及其上方的稀土氧化物，形成以二氧化钛为第一阻变介质，稀土氧化物作为第二阻变介质的阻变介质层。
在一个实施例中，去除图案化金属层及其上方的稀土氧化物的具体步骤包括，将步骤S4得到的结构浸润在常温的王水中5-30s，使图案化金属层及其上方的稀土氧化物自然剥落。
介质层的二次沉积以及采用王水的方法去除图案化金属层及其上方的稀土氧化物，使得二氧化钛与稀土氧化物末端存在一定程度的凸起，这些凸起的结构可以引导导电细丝形成，在器件导通过程中，有引导性地形成稳定可靠的导电通道，从而大大提高器件均一性。
步骤S6，在阻变介质层上沉积上电极，得到忆阻器器件。
上电极为单层金属电极，如W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta等；或者为双层金属复合电极，如Pt/Ti、Cu/Au、Au/Cr、Cu/Al等；或者为导电金属氧化物电极，如TiN、TaN、ITO、IZO等。上电极的厚度优选为80-100nm。
可选地，上电极可以采用热蒸镀、物理气相沉积或化学气相沉积等方法制备。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种忆阻器，其特征在于，所述忆阻器包括上电极、阻变介质层和下电极，所述阻变介质层包括二氧化钛和稀土氧化物；
在所述阻变介质层的横截面上，所述阻变介质层的结构为条形所述二氧化钛和条形所述稀土氧化物彼此间隔排列的栅格状结构；
或者，在所述阻变介质层的横截面上，所述阻变介质层的结构为所述稀土氧化物呈点阵镶嵌分布在所述二氧化钛中的结构；
所述忆阻器至少具有4种阻态。
2.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述稀土氧化物的材料为HfOx、TaOx或IrOx，或者为其中至少两者的混合物。
3.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述上电极和下电极的厚度为80-100nm；所述阻变介质层的厚度为50-100 nm。
4.一种忆阻器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
步骤S1：在下电极上制备二氧化钛薄膜；
步骤S2：在所述二氧化钛薄膜上制备图案化金属层，所述图案化金属层为条形栅格状或者未被所述图案化金属层覆盖的区域呈点阵状；
步骤S3：以所述图案化金属层为掩膜，采用反应离子刻蚀的方法刻蚀所述二氧化钛薄膜至所述下电极；
步骤S4：沉积稀土氧化物层，所述稀土氧化物层与所述二氧化钛薄膜的厚度相同；
步骤S5：去除图案化金属层及其上方的稀土氧化物，形成以二氧化钛为第一阻变介质，稀土氧化物作为第二阻变介质的阻变介质层；
步骤S6：在所述阻变介质层上沉积上电极，得到所述忆阻器；
所述忆阻器至少具有4种阻态。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用溶胶凝胶法在所述下电极上制备所述二氧化钛薄膜，所述二氧化钛薄膜的厚度为50-100 nm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3的采用反应离子刻蚀的方法刻蚀二氧化钛薄膜的过程中通入氧气。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述下电极为常温下难溶于王水的电极；所述步骤S5包括：将所述步骤S4得到的结构浸润在常温的王水中5-30s，使所述图案化金属层及其上方的稀土氧化物自然剥落。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述稀土氧化物层的材料为HfOx、TaOx或IrOx，或者为其中至少两者的混合物。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的图案化金属层的厚度为30-50 nm，采用热蒸镀、物理气相沉积、化学气相沉积或光刻的方法制备所述图案化金属层。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括步骤S0，所述步骤S0包括对硅衬底表面进行清洗，清洗后使用氮气枪吹干，再采用热蒸镀、物理气相沉积或化学气相沉积的方法在硅衬底上生长下电极。
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