基于直流偏压调控的氧化物忆阻器的制备方法

1.本发明属于微电子技术领域，涉及一种氧化物忆阻器的制备方法，具体涉及一种基于直流偏压调控的氧化物忆阻器的制备方法。


背景技术：

2.忆阻器作为一种新兴的非线性电子元器件，具有区别于电阻、电容和电感的非易失特性，其当前阻态由之前流过其内部的电荷量决定，不会因为掉电而失去当前状态。忆阻器用于存储时在尺寸、速度和功耗上都相对于传统存储器件有明显优势，并且由于忆阻器的非易失性可以整合信息存储和逻辑运算为一体，可用忆阻器搭建阵列构成存算一体电路，有望打破传统的冯
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诺依曼计算机架构。这样的由忆阻器搭建的存算一体电路如果可以与当前集成电路芯片制造广泛使用的cmos工艺相兼容并作为所制造集成电路中的存算单元来实际使用的话，将会使集成电路的尺寸和功耗显著降低并提高存储和运算速度，给集成电路产业带来巨大的进步。而cmos集成电路制造工序中的后端工艺要求电路中的器件能够耐受高温，这对忆阻器的高温耐受性也提出了要求。
3.研究至今发现具有忆阻特性的材料种类众多，其中金属氧化物，包括铪、锆、钽等金属元素的氧化物材料，具有制备简单且在大气环境中不易变性等优秀的特性，被业内看好并深入研究。金属氧化物材料的忆阻特性原理可以用材料中存在的氧空位缺陷在电场作用下形成导电细丝或导电细丝断裂来理解：在电场作用下氧空位发生迁移导致功能层材料组成不均匀，金属价态发生变化，与此同时氧空位排布形成非金属性导电细丝，可作为导电通道。该类忆阻器的特性也与材料中的氧空位浓度相关，包括忆阻器读写的稳定性与开关比等。一般来说，氧空位浓度的提高会导致导电细丝更容易形成，往往导致忆阻器开关比提高，即忆阻器高低阻态下的电阻之比增大，但连续多次开关能保持稳定的周期数相对下降，器件的忆阻特性更快退化。因此，需要调控功能层内的氧空位缺陷浓度使忆阻器件特性满足实际使用需要。
4.氧化物忆阻器制备方法的技术思路是：先在衬底上沉积导电性能优良的活泼电极作为底电极，并使用如磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积等物理气相沉积技术在底电极上沉积金属氧化物，最后沉积惰性金属顶电极，获得具有三明治结构，即底电极、功能层、顶电极自下而上依次堆叠的氧化物忆阻器。
5.氧化物忆阻器制备方法的重点或难点是如何调控忆阻器内导电细丝形成所依赖的氧化物功能层内氧空位的浓度，现有方法选择沉积掺杂了不同的元素的金属氧化物作为功能层，这样可以根据不同的掺杂元素种类和掺杂浓度来调控功能层内的氧空位缺陷浓度，从而使忆阻器读写的稳定性与开关比得到调控。但由于作为功能层的金属氧化物中包含的掺杂成分在高温处理过程中所存在的扩散问题会使忆阻器特性退化，这样的忆阻器搭建的存算一体电路也就难以与cmos后端工艺相兼容。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于直流偏压调控的氧化物忆阻器的制备方法，用于解决现有技术中因掺杂成分使忆阻器特性退化，导致与搭建cmos集成电路采用的后端高温处理工艺难以兼容的技术问题，并提升cmos集成电路的性能。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
8.(1)生成底电极：
9.在衬底上制备底电极；
10.(2)基于物理气相沉积和直流偏压在底电极上沉积氧化物功能层：
11.通过设置放置衬底的载物台所加载的直流偏压的压值，并采用物理气相沉积的方式在底电极薄膜表面沉积氧化物，形成厚度为t的氧化物功能层，用以提高溅射于底电极表面的金属氧化物中金属元素与氧元素的比例；
12.(3)获取制备结果：
13.在氧化物功能层表面沉积惰性金属形成顶电极图形，最终形成包括自上而下依次层叠的顶电极、氧化物功能层和底电极的氧化物忆阻器。
14.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
15.本发明通过设置放置衬底的载物台所加载的直流偏压的压值，并采用物理气相沉积在底电极上形成氧化物功能层，能够提高底电极表面金属氧化物中金属元素与氧元素的比例，在保证功能层内具有较高的氧空位缺陷浓度的前提下，避免了现有技术功能层的金属氧化物中包含的掺杂成分在高温处理过程中所存在的扩散问题而使忆阻器特性退化的缺陷，一方面能够实现与cmos集成电路制造工序中的后端高温处理工艺较好的兼容，同时能够提升cmos集成电路的性能。
附图说明
16.图1为本发明的实现流程图；
17.图2为本发明实施例1所制备的氧化物忆阻器的结构示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
19.实施例1：
20.参照图1，本发明包括如下步骤：
21.步骤1)生成底电极：
22.将衬底放置于磁控溅射真空腔室的载物台上，开启分子泵将腔室气压抽至1
×
10-5
pa，将ta沉积到衬底上，形成厚度为50nm的底电极薄膜。
23.衬底采用化学性质稳定且表面粗糙度小于1nm的抛光片状衬底，本实施例采用大小为5
×
5mm，粗糙度为0.1nm的单面抛光方形片状si(100)衬底。底电极采用如ta、hf、al、ti或tin的活性电极，本实施例采用ta。
24.步骤2)基于物理气相沉积和直流偏压在底电极上沉积氧化物功能层：
25.通过设置放置衬底的载物台所加载的直流偏压的压值，并采用物理气相沉积的方
法在底电极薄膜表面沉积氧化物，形成厚度为t的氧化物功能层；物理气相沉积的方法包括磁控溅射、电子束蒸镀、分子束外和延脉冲激光沉积，本实施例采用磁控溅射，具体实现步骤为：
26.通过磁控溅射系统的分子泵将真空腔室内的气压抽至背底真空度为1
×
10-5
pa后，向真空腔室内充入氩气至真空腔室内气压为0.8pa，打开磁控溅射系统的射频溅射电源和直流偏压电源，对铪的氧化物hfo2靶材进行溅射，断电后原位保持5min，在底电极上结晶成厚度为10nm的氧化物功能层。
27.所加载直流偏压用以提高溅射于底电极表面的金属氧化物中金属元素与氧元素的比例。在射频溅射过程中，该直流偏压使被氩正离子轰击离开靶材表面的如铪离子的带正电粒子获得更大的动量，并更快在衬底表面沉积形成薄膜，使薄膜中金属元素的比例提高，提高功能层内的氧空位缺陷浓度。基于直流偏压可以在不使用掺杂的情况下使氧化物功能层内氧空位缺陷浓度提高，从而避免了掺杂在高温处理下扩散导致忆阻器特性退化的问题，使忆阻器能够做到与cmos集成电路后端工艺相兼容。
28.步骤3)获取制备结果：
29.在氧化物功能层表面沉积惰性金属形成顶电极图形，最终形成如图2所示的氧化物忆阻器，包括自上而下依次层叠的顶电极、氧化物功能层和底电极。
30.形成顶电极图形采用硬掩模覆盖方法或光刻法，本实施例采用硬掩模法。惰性金属可采用金属pt、au或pd材料，本实施例采用pt。
31.在氧化物功能层上使用硬掩模法沉积pt形成顶电极图形，实现步骤为：
32.在样品表面覆盖硬掩模版后放入磁控溅射真空腔室中，开启分子泵将腔室气压抽至1
×
10-5
pa，将pt沉积到氧化物功能层上，沉积厚度为50nm后取出样品并取下覆盖的硬掩模版，形成电极图形为50um
×
50um大小的方块电极阵列，获得自上而下依次层叠的pt(50nm)/hfo2(10nm)/ta(50nm)的氧化物忆阻器。
33.实施例2:本实施例的实现过程与实施例1相同，仅对部分参数进行了调整：
34.本实施例在步骤1中将ta沉积到衬底上，形成厚度为20nm的底电极薄膜；步骤(2)在底电极上结晶成的氧化物功能层的厚度为5nm，加载的直流偏压幅值为10v；步骤(3)沉积pt厚度为50nm后取出样品并取下覆盖的硬掩模版，获得自上而下依次层叠的pt(50nm)/hfo2(5nm)/ta(20nm)的氧化物忆阻器。
35.实施例3:本实施例的实现过程与实施例1相同，仅对部分参数进行了调整：
36.本实施例在步骤1中将ta沉积到衬底上，形成厚度为200nm的底电极薄膜；步骤(2)在底电极上结晶成的氧化物功能层的厚度为50nm，加载的直流偏压幅值为120v；步骤(3)沉积pt厚度为50nm后取出样品并取下覆盖的硬掩模版，获得自上而下依次层叠的pt(50nm)/hfo2(50nm)/ta(200nm)的氧化物忆阻器。

技术特征：
1.一种基于直流偏压调控的氧化物忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)生成底电极：在衬底上沉积活性材料，形成厚度为h的底电极薄膜；(2)基于物理气相沉积和直流偏压在底电极上沉积氧化物功能层：通过设置放置衬底的载物台所加载的直流偏压的压值，并采用物理气相沉积的方式在底电极薄膜表面沉积氧化物，形成厚度为t的氧化物功能层，用以提高溅射于底电极表面的金属氧化物中金属元素与氧元素的比例；(3)获取制备结果：在氧化物功能层表面沉积惰性金属形成顶电极图形，最终形成包括自上而下依次层叠的顶电极、氧化物功能层和底电极的氧化物忆阻器。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的衬底，采用化学性质稳定且表面粗糙度小于1nm的抛光片状衬底。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述活性材料，采用ta、hf、al、ti和tin中的任意一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的底电极薄膜，其厚度h满足200nm≥h≥20nm。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的金属氧化物靶材，采用铪的氧化物、钽的氧化物、镓的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铟的氧化物、锌的氧化物、钨的氧化物和钛的氧化物中的任意一种。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的直流偏压大小为v，120v≥v＞0v。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的氧化物功能层，其厚度t满足50nm≥t≥5nm。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的在氧化物功能层表面沉积顶电极图形，采用硬掩模覆盖方法或光刻法。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的惰性金属，采用金属pt、au和pd中的任意一种。

技术总结
本发明提出了一种基于直流偏压调控的氧化物忆阻器的制备方法，实现步骤为：生成底电极；基于物理气相沉积和直流偏压在底电极上沉积氧化物功能层；获取制备结果。本发明通过设置放置衬底的载物台所加载的直流偏压的压值，并采用物理气相沉积在底电极上形成氧化物功能层，能够提高底电极表面金属氧化物中金属元素与氧元素的比例，在保证功能层内具有较高的氧空位缺陷浓度的前提下，避免了现有技术功能层的金属氧化物中包含的掺杂成分在高温处理过程中所存在的扩散问题而使忆阻器特性退化的缺陷，一方面能够实现与CMOS集成电路制造工序中的后端高温处理工艺较好的兼容，同时能够提升CMOS集成电路的性能。提升CMOS集成电路的性能。提升CMOS集成电路的性能。


技术研发人员：马海蛟 王磊 朱江 王钥绮 张越影 刘绍烜 张进成 郝跃
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.08.03
技术公布日：2023/9/26