平面型忆阻器阻变类型的调控方法

1.本发明属于电子材料及器件与微纳加工技术领域，具体涉及平面型忆阻器的制备，及其阻变类型的调控方法。


背景技术：

2.忆阻器被认为是继电阻、电容、电感之外的第四种基本电路元件，一种具有记忆功能的非线性电阻，可以通过控制电流改变阻值。忆阻器作为一种新型微纳电子元件，其结构简单、易阵列集成、尺寸可微缩、且与半导体cmos工艺兼容，有利于其在技术成熟后实现大规模生产。并且其结构、功能、传输方式与生物突触高度相似，且具备低功耗的优势，被视为未来发展人工神经网络和神经形态计算的理想硬件。
3.不同的应用场景对忆阻器特性有不同的要求，如何根据特定需求调控忆阻器的阻变类型及性能参数是非常重要的。为了满足实际应用，大面积薄膜材料的稳定制备是构筑忆阻器器件及其阵列的基础。目前基于金属氧化物薄膜而制备的忆阻器，虽然能满足大面积制备，但是器件阻变类型单一，无法实现多功能切换。基于二维层状材料的忆阻器器件，部分材料能实现多阻变类型调控，实现易失性与非易失性阻变类型的调控，但是很难大面积、晶圆级制备。
4.因此，迫切需要开发一种薄膜材料，既能满足大面积、晶圆级制备，又能选择性调控忆阻器的阻变类型，即实现易失性与非易失性之间的调控。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种平面型忆阻器阻变类型的调控方法，本发明能够实现厚度和掺杂程度可调控、大面积薄膜的晶圆级制备，同时也能实现忆阻器阻变类型的调控，即易失性与非易失性之间的调控。
6.实现本发明目的具体技术方案是：
7.一种平面型忆阻器阻变类型的调控方法，包括以下具体步骤：
8.步骤1：制备阻变类型可调控的平面型忆阻器
9.1a)首先将衬底在丙酮、异丙醇和去离子水中分别超声清洗10min；然后再经过紫外臭氧处理5-10min；所述衬底为硅衬底、硅-二氧化硅衬底、氮化硼-硅衬底、导电玻璃、或柔性衬底；
10.1b)采用真空热蒸发镀膜或磁控溅射镀膜工艺，在衬底表面沉积2nm～1000nm厚度的硒化铜薄膜；所述的真空热蒸发镀膜或磁控溅射镀膜工艺，具体包括：在蒸镀过程中，往腔体中通入氧气实现对薄膜材料氧掺杂，气体流量：0.1-20ml/min，填充时间：1-10min；
11.1c)通过涂胶、曝光和显影，对硒化铜薄膜进行图形化设计，使其具有不同的沟道长度和宽度；所述的不同的沟道长度和宽度，沟道长度范围500nm～30μm，沟道宽度范围500nm～10μm；
12.1d)通过刻蚀工艺，对已图案化的薄膜进行刻蚀处理，完成薄膜材料的图形化制
备；所述的刻蚀处理采用反应离子刻蚀；
13.1e)通过涂胶、曝光和显影，在刻蚀后的薄膜材料上，实现电极的图形化设计；所述的曝光是采用紫外光刻或电子束曝光工艺；
14.1f)采用镀膜工艺制备源、漏电极；所述的源、漏电极为单一金属电极或复合金属电极；电极厚度为20nm～100nm；其蒸镀速率为
15.所述单一金属电极，包括金电极、银电极、铜电极、钛电极、钨电极、钯电极和铂电极；
16.所述复合金属电极，包括铬-金、银-金、钨-金、铜-金、钛-金和镍-金电极；
17.1g)经过剥离和热退火工艺，除去表面有机物残留并改善电极接触，其退火温度为100℃～250℃,退火时间为30min～120min；所述的热退火是在真空或惰性气体氛围条件下进行；惰性气体为氮气或氩气；真空度为10-1
～10-4
pa；
18.1h)最后完成器件的制备，得到所述阻变类型可调控的平面型忆阻器；
19.步骤2：对平面型忆阻器阻变类型的调控
20.2a)调整氧掺杂的硒化铜薄膜沟道长度至多5μm，忆阻器表现为易失性的、双极性阻变类型，且具有-0.4v或0.1v的set或reset电压；
21.2b)调整氧掺杂的硒化铜薄膜沟道长度至少5μm，忆阻器表现为非易失性的、单极性阻变类型，且随着沟道长度的增大，其set或reset电压也逐渐增大。
22.一种基于上述调控方法得到的阻变类型可调控的平面型忆阻器。
23.本发明的忆阻器为平面结构，从左到右，依次是源电极、薄膜材料、和漏电极。首先，采用真空镀膜工艺在衬底上完成大面积薄膜材料的制备；通过涂胶、曝光和显影，对薄膜材料进行图形化设计；然后通过刻蚀工艺，刻蚀掉不需要的薄膜材料，完成薄膜材料的图形化制备。再通过涂胶、曝光和显影，在刻蚀后的薄膜材料上，对源、漏电极进行图形化设计。然后，采用真空镀膜工艺蒸镀左右源、漏电极。最后，经过剥离和热退火工艺，完成器件的制备。
24.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
25.1)通过本发明方法所制备的薄膜，厚度和掺杂程度可调控，且满足大面积、晶圆级制备。
26.2)通过本发明方法所制备的平面型忆阻器器件，不同沟道长度的器件，具有不同的阻变类型。例如：沟道长度较短时(实施例1,l＝2μm)器件表现为易失性的、双极性阻变特性；沟道长度较长时(实施例2,l＝15μm)器件表现为非易失性的、单极性阻变特性。
27.3)通过本发明方法所制备的平面型忆阻器,沟道长度较短时(实施例1,l＝2μm)，器件具有非常低的set/reset电压(-0.4v/+0.1v)和纳秒量级翻转速度，低功耗器件。
28.4)本发明方法所制备的平面型忆阻器，在100k～500k操作温度范围内，器件性能非常稳定，耐高温可达500k。
附图说明
29.图1为对比例1制备的平面型忆阻器的截面结构示意图及对应的电流－电压(i-v)曲线图；
30.图2为本发明实施例1制备的沟道长度较短的平面型忆阻器的截面结构示意图及
相应的电流－电压(i-v)曲线图；
31.图3为本发明实施例2制备的沟道长度较长的平面型忆阻器的截面结构示意图及相应的电流－电压(i-v)曲线图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
33.本发明在热蒸镀和磁控溅射工艺的基础上，改进镀膜工艺，即在薄膜蒸镀过程中往腔体中通入氧气，气体流量：0.1-20ml/min，填充时间：1-10min；然后，基于上述蒸镀的薄膜材料，制备不同沟道长度的平面型忆阻器。当氧掺杂的硒化铜薄膜的沟道长度至多5μm时，忆阻器表现为易失性的、双极性阻变类型；当沟道长度至少5μm时，忆阻器表现为非易失性的、单极性阻变类型；其中，实施例和对比例中的忆阻器性能测试，均采用半导体分析测试系统(keysight 4200)，且配备真空探针台(lakeshore)。
34.对比例1
35.传统蒸镀方法制备的平面型忆阻器
36.1)将1cm
×
1cm的硅/二氧化硅(si/sio2)衬底依次在丙酮、异丙醇和去离子水中分别超声清洗10min。然后再经过紫外臭氧处理5min；
37.2)通过热蒸发镀膜仪，在si/sio2衬底上热蒸镀一层硒化铜薄膜，厚度为10nm，热蒸镀速率为
38.3)采用紫外光刻工艺，经过涂胶、掩膜、曝光和显影工艺流程，实现对硒化铜薄膜图形化处理；
39.4)通过氧等离子体刻蚀工艺，刻蚀掉不需要的薄膜材料。刻蚀时间为10min；
40.5)采用紫外光刻工艺，如步骤2)所述，定义源、漏电极图形，沟道长度为l＝2μm；
41.6)采用热蒸发镀膜工艺，蒸镀15nm/45nm厚的铬/金电极，蒸镀速率均为从热蒸镀腔体中取出样品，对样品进行剥离；
42.7)最后样品在n2气氛围中200℃退火60min，制备沟道长度为2μm器件。
43.如图1中(a)和(b)所示，依照对比例1采用传统热蒸镀方法制备的沟道较短(l＝2μm)的平面型忆阻器的结构示意图和电压-电流曲线。
44.实施例1
45.本发明方法所制备的平面型忆阻器
46.1)将1cm
×
1cm的硅/二氧化硅(si/sio2)衬底依次在丙酮、异丙醇和去离子水中分别超声清洗10min。然后再经过紫外臭氧处理5min；
47.2)通过热蒸发镀膜仪，在si/sio2衬底上热蒸镀一层硒化铜薄膜，厚度为10nm，热蒸镀速率为特别的是，在硒化铜薄膜制备过程中，往真空腔体中通入氧气(气体流量：2ml/min,填充时间：5min)，进而制备氧掺杂的硒化铜薄膜；
48.3)采用紫外光刻工艺，经过涂胶、掩膜、曝光和显影工艺流程，实现对硒化铜薄膜图形化处理；
49.4)通过氧等离子体刻蚀工艺，刻蚀掉不需要的薄膜材料。刻蚀时间为10min；
50.5)采用紫外光刻工艺，如步骤2)所述，定义源、漏电极图形，沟道长度l＝2μm；
51.6)采用热蒸发镀膜工艺，蒸镀15nm/45nm厚的铬/金电极，蒸镀速率均为从热蒸镀腔体中取出样品，对样品进行剥离；
52.7)最后样品在n2气氛围中200℃退火60min，制备沟道长度为2μm器件。
53.如图2中(a)和(b)所示，依照实施例1采用本发明方法所制备，沟道较短(l＝2μm)的平面型忆阻器的结构示意图和电压-电流曲线。
54.实施例2
55.本发明方法所制备的平面型忆阻器
56.1)将1cm
×
1cm的硅/二氧化硅(si/sio2)衬底依次在丙酮、异丙醇和去离子水中分别超声清洗10min。然后再经过紫外臭氧处理5min；
57.2)通过热蒸发镀膜仪，在si/sio2衬底上热蒸镀一层硒化铜薄膜，厚度为10nm，热蒸镀速率为特别的是，在硒化铜薄膜制备过程中，往真空腔体中通入氧气(气体流量：2ml/min,填充时间：5min)，进而制备氧掺杂的硒化铜薄膜；
58.3)采用紫外光刻工艺，经过涂胶、掩膜、曝光和显影工艺流程，实现对硒化铜薄膜图形化处理；
59.4)通过氧等离子体刻蚀工艺，刻蚀掉不需要的薄膜材料。刻蚀时间为10min；
60.5)采用紫外光刻工艺，如步骤2)所述，定义源、漏电极图形，沟道长度l＝15μm；
61.6)采用热蒸发镀膜工艺，蒸镀15nm/45nm厚的铬/金电极，蒸镀速率均为从热蒸镀腔体中取出样品，对样品进行剥离；
62.7)最后样品在n2气氛围中200℃退火60min，制备沟道长度为15μm器件。
63.如图3中(a)和(b)所示，依照实施例2采用本发明方法所制备，沟道较长(l＝15μm)的平面型忆阻器的结构示意图和电压-电流曲线。
64.为了直观比较器件的阻变类型和性能参数的差异，表1列出了阻变类型、set/reset电压、操作温度、循环稳定性和翻转速度等参数。
65.表1
[0066][0067]
由表中统计数据可知：
[0068]
1.采用传统蒸镀方法制备的平面型忆阻器(对比例1，l＝2μm)，属于易失性的、双极性的阻变类型，但是循环稳定性很差且set/reset电压较大(-1.0v/1.5v)，毫秒量级的翻转速度以及室温操作温度。
[0069]
2.本发明所述方法制备的平面型忆阻器，当沟道长度较短时(实施例1，l＝2μm)
[0070]
表现为易失性的、双极性的阻变类型，且具有非常低的set/reset电压(-0.4v/
0.1v)和纳秒量级的翻转速度，低功耗器件。循环稳定性高且操作温度范围很大，从100k到500k，在耐高温忆阻器领域具有很大的应用前景。
[0071]
3.本发明所述方法制备的平面型忆阻器，当沟道长度较长时(实施例2，l＝15μm)表现为非易失性的、单极性的阻变类型。良好的循环稳定性和100k～500k的操作温度范围。
[0072]
以上几种参数作为衡量指标，本发明所述方法制备的平面型忆阻器具有更优异的性能。在本发明中，具有一定程度氧掺杂的硒化铜薄膜是促使忆阻器性能优化的主要原因。因为薄膜内部本征缺陷和离子迁移是忆阻特性产生的关键。具有一定缺陷的硒化铜薄膜，薄膜内部铜离子更加容易迁移，所以仅需很小的set/reset电压(-0.4v/0.1v)便能使铜离子发生迁移并产生易失性的、双极性的阻变特性，降低操作功耗。另外，当硒化铜沟道长度较长时，材料内部本征缺陷，氧空位和硒空位的迁移占据主导作用，进而长沟道忆阻器表现为非易失性的、单极性的阻变特性。总之，通过调控硒化铜的不同沟道长度，来选择性的制备易失性或者非易失性的平面型忆阻器，这也是本发明的核心因素。
[0073]
因此，通过本发明所述方法制备的硒化铜薄膜，既能实现厚度和掺杂程度调控，又能满足大面积、晶圆级制备。此外，仅通过调控硒化铜的沟道长度，便可以制备易失性或者非易失性的平面型忆阻器。对实现忆阻器及其阵列的大规模功能化应用，有非常高的借鉴意义。
[0074]
上述对实施例和对比例的描述是为了方便该技术领域的技术人员能理解和应用发明。本领域的技术人员可以很容易的对实施例做出各种简单修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例而不需要创造性的劳动与思考。因此，本发明不限于以上的有限实施例，本领域的技术人员根据本发明，没有脱离本发明的范畴所做出的简单修改和改进都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种平面型忆阻器阻变类型的调控方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1：制备阻变类型可调控的平面型忆阻器1a)首先将衬底在丙酮、异丙醇和去离子水中分别超声清洗10min；然后再经过紫外臭氧处理5-10min；所述衬底为硅衬底、硅-二氧化硅衬底、氮化硼-硅衬底、导电玻璃、或柔性衬底；1b)采用真空热蒸发镀膜或磁控溅射镀膜工艺，在衬底表面沉积2 nm～1000 nm厚度的硒化铜薄膜；所述的真空热蒸发镀膜或磁控溅射镀膜工艺，具体包括：在蒸镀过程中，往腔体中通入氧气实现对薄膜材料氧掺杂，气体流量：0.1-20 ml/min，填充时间：1-10min；1c)通过涂胶、曝光和显影，对硒化铜薄膜进行图形化设计，使其具有不同的沟道长度和宽度；所述的不同的沟道长度和宽度，沟道长度范围500 nm～30 mm，沟道宽度范围500 nm～10 mm；1d）通过刻蚀工艺，对已图案化的薄膜进行刻蚀处理，完成薄膜材料的图形化制备；所述的刻蚀处理采用反应离子刻蚀；1e）通过涂胶、曝光和显影，在刻蚀后的薄膜材料上，实现电极的图形化设计；所述的曝光是采用紫外光刻或电子束曝光工艺；1f）采用镀膜工艺制备源、漏电极；所述的源、漏电极为单一金属电极或复合金属电极；电极厚度为20 nm～100 nm；其蒸镀速率为0.1
ꢀå
/s～5
ꢀå
/s；所述单一金属电极，包括金电极、银电极、铜电极、钛电极、钨电极、钯电极和铂电极；所述复合金属电极，包括铬-金、银-金、钨-金、铜-金、钛-金和镍-金电极；1g）经过剥离和热退火工艺，除去表面有机物残留并改善电极接触，其退火温度为100 ℃～250 ℃, 退火时间为30 min～120 min；所述的热退火是在真空或惰性气体氛围条件下进行；惰性气体为氮气或氩气；真空度为10-1
～10-4 pa；1h）最后完成器件的制备，得到所述阻变类型可调控的平面型忆阻器；步骤2：对平面型忆阻器阻变类型的调控2a) 调整氧掺杂的硒化铜薄膜沟道长度至多5 mm，忆阻器表现为易失性的、双极性阻变类型，且具有-0.4 v或0.1v的set或reset电压；2b)调整氧掺杂的硒化铜薄膜沟道长度至少5 mm，忆阻器表现为非易失性的、单极性阻变类型，且随着沟道长度的增大，其set或reset电压也逐渐增大。2.一种基于权利要求1所述调控方法得到的阻变类型可调控的平面型忆阻器。

技术总结
本发明公开了一种平面型忆阻器阻变类型的调控方法，该忆阻器结构为平面型，从左到右，依次是源电极、薄膜材料和漏电极。采用真空镀膜工艺在衬底上沉积大面积、掺杂的薄膜材料；通过紫外光刻和刻蚀工艺进行图形化设计，使薄膜材料具有不同的沟道长度和宽度；然后再通过紫外光刻工艺，实现源、漏电极图形化；最后采用真空镀膜工艺蒸镀源、漏电极，随后经过剥离和热退火工艺，完成器件的制备。本发明所述的薄膜制备方法，既能实现厚度和掺杂程度调控，又能实现薄膜大面积、晶圆级制备。本发明通过调控薄膜的沟道长度，选择性制备易失性或非易失性的平面型忆阻器，实现基于同种沟道材料不同阻变类型的调控。阻变类型的调控。阻变类型的调控。


技术研发人员：李文武 刘新领 褚君浩
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/5