CN118159122A - 一种基于锰钴镍氧的新型忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明中首次将新型热敏材料锰钴镍氧应用于忆阻器件的阻变层中，制作了三明治结构+蓝宝石基底的RRAM器件。锰钴镍氧材料，是一种以Mn、Co、Ni过渡族金属为主的尖晶石结构材料，它具有电阻随温度上升而逐渐下降(即负温度系数)的材料特性，同时材料结构稳定、工作温度范围广，所制备的器件非常适应极端条件下的使用，且具有较高的准确度以及灵敏度。本发明所制备的忆阻器能够实现在较小的电压刺激下打开，同时具有制备简单、薄膜应力小、灵敏度高、高低阻态稳定性好、与CMOS工艺兼容等优点，非常适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种锰钴镍氧薄膜忆阻器及其制备方法。该忆阻器采用了新型的热敏材料，能够实现在较小的电压刺激下打开，同时具有制备简单、薄膜应力小、灵敏度高、高低阻态稳定性好、与CMOS工艺兼容等优点，非常适合工业化生产。
背景技术
冯·诺依曼架构自1945年提出以来，为现代计算机体系提供了理论指导，二进制编码、顺序执行等优势使其成为计算机领域主导。然而，该架构中的存储模块与运算模块是分离的，数据的频繁调用造成了运算速度的瓶颈与功耗的浪费。随着大数据以及人工智能时代的到来，这种存算分离架构难以满足海量的数据处理、超快的计算速度、超低的功耗等新需求。因此，存算一体技术成为新的研究方向。
纳米忆阻器件的出现，为存算一体技术带来新的希望。忆阻器是一种新型纳米器件，其阻值与流经的电荷相关且具有非易失性，同时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。凭借高密度、低延迟、非易失性等特性，忆阻器的运用涵盖信息存储、混沌电路、人工神经网络等众多方向，并由此实现视觉、触觉、嗅觉、语音识别等人工智能感知功能。
目前忆阻器的结构多为金属/绝缘体/金属的堆垛结构，即，包括两层电极材料和一层阻变层材料。同时忆阻器是通过施加可变的电信号控制阻变层材料特性，使其发生特定的转变，从而调控器件本身的电阻。因此，阻变层材料将直接影响器件的电学特性、稳定性以及应用表现。
本发明中，我们首次将新型热敏材料锰钴镍氧引入类脑器件领域，在本发明结构中作为阻变层。锰钴镍氧材料，是一种以Mn、Co、Ni过渡族金属为主的尖晶石结构材料，它具有电阻随温度上升而逐渐下降(即负温度系数)的材料特性，同时材料结构稳定、工作温度范围广，所制备的器件非常适应极端条件下的使用，且具有非常高的准确度以及灵敏度。
钴镍氧氧八面体中的Mn3+离子由于受到姜-泰勒畸变作用而成为极化子，其电子受到强束缚而只能固定在某一范围内；但是，同时此结构中Mn3+离子的局域态与电子与声子之间的耦合密切相关，在声子的辅助作用下，位于尖晶石氧八面体中的不同价态的锰离子的电子之间可以实现跳跃传导形成电荷传输，并且发生离子的变价行为。而由于这种电子跃迀导电对声子作用——也就是温度——具有很强的依耐性，需要一定的热能来激活电子，使其跳跃，所以这种材料具有热敏特性。
而进一步将其用作阻变层材料之后，在外加不同电压刺激下，器件内部的焦耳热积累，使锰钴镍氧材料的电子被激活跳跃，从而使阻变层的电阻值发生改变，最终实现器件的打开，实现忆阻器件的制备。
在本发明中所制造出来的忆阻器件，采用了新型的热敏材料，能够实现在较小的电压刺激下打开，同时具有制备简单、薄膜应力小、灵敏度高、稳定性好、与CMOS工艺兼容等优点，非常适合工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种以锰钴镍氧为阻变层材料的新型忆阻器以及其制备方法。采用的锰钴镍氧所制备的忆阻器件具有开启电压小、灵敏度高、高低阻态更加稳定，薄膜之间应力较小的优点；同时该忆阻器的制备方法简单，且与传统的CMOS工艺兼容，可用于大批量商业化制作新型忆阻器件；进而解决现有忆阻器件的稳定性不足，制备复杂的问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种锰钴镍氧忆阻器，为三层结构的RRAM，包括从上到下依次为顶部电极、阻变层、底部电极、基底；
其中，顶部电极与底部电极具有非对称性，以金属作顶部电极，以锰钴镍氧材料(其化学式为Mn1.56Co0.96Ni0.48O4)作为阻变材料，以氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)作底部电极，以蓝宝石(非晶Al2O3)作为基底。
进一步地，所述顶部电极采用金(Au)、铂(Pt)或镍铬合金(NiCr)之一。
进一步地，所述阻变层材料为新型的热敏材料——锰钴镍氧，其原子量可以有多种配比，在本发明中采用的成分为Mn1.56Co0.96Ni0.48O4。
另一方面，本发明还公开了上述忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
(a)清洗蓝宝石衬底；
(b)制备底电极：采用磁控溅射法在步骤(a)得到的衬底上沉积底电极ITO，电极的厚度为10～50nm；
(c)制备阻变层：采用磁控溅射法在步骤(b)得到的样品上沉积Mn1.56Co0.96Ni0.48O4阻变层薄膜，厚度在50～200nm之间；
(d)制备顶电极：将掩模版覆在步骤(c)得到的样品上，进一步采用磁控溅射法在阻变层上沉积顶电极金属，电极的厚度为10～50nm，得到最终器件；
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明提出了一种以锰钴镍氧为阻变层材料的新型忆阻器以及其制备方法，丰富了阻变器件的种类。
(2)本发明所制备的忆阻器件具有开启电压小、灵敏度高、高低阻态更加稳定，薄膜之间应力较小的优点。
(3)同时该忆阻器的制备方法简单，且与传统的CMOS工艺兼容，可用于大批量商业化制作新型忆阻器件；进而解决现有忆阻器件的稳定性不足，制备复杂的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为制备了顶电极之后的器件结构图；
图2为锰钴镍氧忆阻器件的剖面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关的制备流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
(a)清洗蓝宝石衬底。将厚度为350μm的蓝宝石衬底分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗10分钟，后用氮气吹干备用。
(b)制备底电极。采用磁控溅射在步骤(a)所得的衬底上制备一层厚度为50nm的氧化铟锡(ITO)，将其整体作为底电极。
(c)制备锰钴镍氧阻变层。将步骤(b)所得的样品置于磁控溅射设备中，靶材放置Mn1.56Co0.96Ni0.48O4靶材，将设备腔体抽气至气压为1×10-5Pa，设定衬底温度为750℃，最后设定溅射功率为50W，并溅射100分钟，得到厚度约为100nm的锰钴镍氧阻变层。
(d)使用掩膜版或者光刻定义顶电极图形，采用溅射或者电子束蒸发在步骤(c)所得的样品上制备金属顶电极，此处所用的顶电极材料为金(Au)，厚度为50nm，尺寸为200×200μm的正方形，每一小块正方形电极之间隔开，整体器件结构示意图如图1所示。在图1的制备过程中，其制备的工艺简单，制备成本低，器件成品率高，单一衬底上的成品率可达到80-90％。
至此，一种基于锰钴镍氧薄膜的忆阻器制备结束，得到的整体忆阻器件的剖面图如图2所示。该忆阻器采用了新型的热敏材料，能够实现在较小的电压刺激下打开，同时具有制备简单、薄膜应力小、灵敏度高、高低阻态稳定性好、与CMOS工艺兼容等优点，非常适合工业化生产。
Claims (6)
1.一种基于锰钴镍氧的新型忆阻器及其制备方法，属于微电子技术领域。本发明特征在于：为三明治结构+蓝宝石基底的RRAM，从上到下依次为顶部电极、阻变层、底部电极、基底；采用溅射或者电子束蒸发制备金属顶电极，采用磁控溅射制备锰钴镍氧阻变层，采用磁控溅射沉积制备ITO底电极，采用蓝宝石(非晶Al2O3)作为基底。
2.根据权利要求1所述的锰钴镍氧薄膜忆阻器，其特征在于：顶电极材料采用金(Au)、铂(Pt)或镍铬合金(NiCr)材料，其厚度为10～50nm。
3.根据权利要求1所述的锰钴镍氧薄膜忆阻器，其特征在于：阻变层材料采用锰钴镍氧材料，且其化学分子式为Mn1.56Co0.96Ni0.48O4。
4.根据权利要求1所述的锰钴镍氧薄膜忆阻器，其特征在于：阻变层材料采用磁控溅射方式沉积，其厚度为50～200nm。
5.根据权利要求1所述的锰钴镍氧薄膜忆阻器，其特征在于：底电极材料采用ITO材料，其厚度为10～50nm。
6.根据权利要求1所述的锰钴镍氧薄膜忆阻器，其特征在于：基底材料蓝宝石衬底，其厚度为100～500μm。
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