一种溶胶凝胶薄膜柔性阻变存储器及其制备方法与流程

本发明属于新材料及微电子技术领域，具体涉及一种溶胶凝胶薄膜柔性阻变存储器及其制备方法。

背景技术：

随着集成电路制造工艺的技术节点不断向前推进，传统存储器所面临的技术和物理极限等问题将难以解决，研究新型的存储器显得尤为迫切。阻变存储器由于具有简单的结构，快速的读写速度，非破坏性的读取过程，较好的状态保持特性，以及较低的操作电压和高集成度而受到关注。由于柔性基底具有重量轻，可折叠，制造成本低等特点，使得柔性阻变存储器在物联网，便携式电子产品中有着重要应用。

到目前为止，柔性阻变存储器的阻变层材料可以通过溅射法，金属有机化学气相沉积，等离子体原位氧化金属等方法制备。但这些方法的一个特点是阻变层的制备通常是在高真空下沉积，对沉积设备要求较高，以及阻变层材料与塑料衬底结合不牢固等特点。

因此，寻找一种柔性阻变存储器的阻变层材料的制备方法，得到性能稳定，柔韧性良好的阻变存储器，将会拓宽柔性阻变存储器的应用范围。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种溶胶凝胶薄膜柔性阻变存储器及其制备方法，制备的柔性阻变存储器具有自限制电流功能，不需要外电路对其进行防击穿电流设置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种溶胶凝胶薄膜柔性阻变存储器，包括底层电极，设于底层电极上表面的存储介质层，设于存储介质层上表面的顶层电极，所述底层电极由透明导电氧化物薄膜构成，存储介质层为深紫外光线处理的金属氧化物溶胶凝胶薄膜，顶层电极为金属铝层。

所述的透明导电氧化物薄膜为ito-ag-ito薄膜，所述的金属氧化物溶胶凝胶薄膜为氧化铝溶胶凝胶薄膜，厚度为20-200nm。

所述的溶胶凝胶薄膜柔性阻变存储器的制备方法，其特征在于步骤如下：

（1）用氧等离子体对柔性衬底进行预处理；

（2）对步骤（1）中处理之后的柔性衬底上溅射沉积一层铟锡氧化物导电薄膜ⅰ；

（3）对步骤（2）中的铟锡氧化物导电薄膜ⅰ上溅射沉积一层ag薄膜；

（4）对步骤（3）中的ag薄膜上溅射沉积一层铟锡氧化物导电薄膜ⅱ，光刻，得到底层电极；

（5）在步骤（4）得到的底层电极上旋涂alox凝胶，形成alox溶胶凝胶薄膜；

（6）在室温条件下、密闭空间中以及氮气保护下用深紫外光线处理步骤（5）中形成的alox溶胶凝胶薄膜得到存储介质层；

（7）在步骤（6）制得的存储介质层表面溅射一层金属铝层，光刻，剥离得到顶层电极。

所述步骤（1）中的柔性衬底为pet、pen、pes、par或pi，所述柔性衬底的厚度为20-500μm。

所述步骤（1）中用氧等离子体对柔性衬底进行预处理的具体工艺参数为：氧气流量为20-40cm³/min，射频功率为30-50w，处理时间为1-6min。

所述步骤（2）中采用射频磁控溅射沉积铟锡氧化物薄膜ⅰ以及步骤（4）中采用射频磁控溅射沉积铟锡氧化物薄膜ⅱ的工艺条件如下：沉积速率为0.02-0.06nm/s，薄膜厚度为50-200nm，o2/ar流量比为0.2sccm/20sccm-0.8sccm/20sccm，溅射功率为80-150w，溅射气压0.3-1.0pa。

所述步骤（3）中采用溅射沉积ag薄膜的工艺条件为：溅射靶材为金属ag靶材，衬底温度为室温，反应气体为氩气，工作气压为0.2pa，溅射功率为120w；ag薄膜的厚度为50-200nm。

所述步骤（5）中采用旋涂方法制得的alox薄膜的厚度为20-200nm。

所述步骤（6）中用深紫外光线处理alox溶胶凝胶薄膜的方法如下：在100-160℃的条件下，将alox溶胶凝胶薄膜置于低压汞灯下处理5~8小时，深紫外线有两个辐射峰，分别为占辐射能量97%的253.7nm主峰和占3%能量的184.9nm次峰，λ=253.7nm处alox溶胶凝胶薄膜表面的深紫外光通量密度为2.0–3.5×10²⁰m^-2s^-1和λ=184.9nm时alox溶胶凝胶薄膜表面的深紫外光通量密度为2.0–2.8×10¹⁹m^-2s^-1。

所述步骤（7）中溅射金属铝层采用的方法为直流磁控溅射，溅射功率为90-150w，溅射时间1-4min，金属层厚度为50-200nm。

本发明的有益效果：本发明制备的柔性衬底阻变存储器的温度可控制在160℃以下，该温度低于大多数聚合物材料的玻璃化温度，该制备方法不需要额外退火步骤，所需材料为ic制造常用材料，所采用的工艺为常见工艺，并具有与cmos工艺兼容的特点。本发明制备的柔性阻变存储器具有自限制电流功能，不需要外电路对其进行防击穿电流设置。

附图说明

图1为本发明实施例1柔性阻变存储器的工艺流程图步骤a-d；

图2为本发明实施例1柔性阻变存储器的工艺流程图步骤e-g；

图3为本发明实施例1柔性阻变存储器的电流-电压特性测试结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

本实施例制备柔性阻变存储器的工艺如图1所示，图2所示为柔性阻变存储器的电阻转变特性曲线图。

实施例1

本实施例溶胶凝胶薄膜柔性阻变存储器制备方法如下：

（1）用氧等离子体对pet柔性衬底1进行预处理，具体工艺参数为：氧气流量为20-40cm³/min，射频功率为30-50w，处理时间为1-6min，所述pet柔性衬底1的厚度为20-500μm；

（2）利用常规溅射设备，在pet衬底1上沉积一层ito薄膜2，薄膜厚度控制在50nm到200nm之间，如图1-(a)所示；工艺条件如下：沉积速率为0.02-0.06nm/s，薄膜厚度为50-200nm，o2/ar流量比为0.2sccm/20sccm-0.8sccm/20sccm，溅射功率为80-150w，溅射气压0.3-1.0pa；

（3）使用常规溅射设备，在ito薄膜2上沉积一层ag薄膜3，ag薄膜厚度控制在50nm到200nm之间，如图1-(b)所示；采用溅射沉积ag薄膜的工艺条件为：溅射靶材为金属ag靶材，衬底温度为室温，反应气体为氩气，工作气压为0.2pa，溅射功率为120w；

（4）利用常规溅射设备，在ag薄膜3上沉积一层ito薄膜4，薄膜厚度控制在50nm到200nm之间，如图1-(c)所示；工艺条件如下：沉积速率为0.02-0.06nm/s，薄膜厚度为50-200nm，o2/ar流量比为0.2sccm/20sccm-0.8sccm/20sccm，溅射功率为80-150w，溅射气压0.3-1.0pa；

（5）利用常规的匀胶机，将溶胶凝胶的alox薄膜5涂覆在ito薄膜4上，alox薄膜厚度控制在20nm到100nm之间，如图1-(d)所示；

（6）将alox溶胶凝胶薄膜置于n2环境下，在100-160℃的条件下，并在低压汞灯下处理5~8小时，λ=253.7nm处alox溶胶凝胶薄膜表面的深紫外光通量密度为2.0–3.5×10²⁰m^-2s^-1和λ=184.9nm时alox溶胶凝胶薄膜表面的深紫外光通量密度为2.0–2.8×10¹⁹m^-2s^-1，alox溶胶凝胶薄膜表面的温度保持在100℃到160℃之间，如图2-(e)所示；

（7）利用光刻和反应离子束刻蚀技术，定义出底层电极通孔6，如图2-(f)所示；利用常规溅射技术，沉积一层al薄膜，溅射功率为90-150w，溅射时间1-4min，金属层厚度为50-200nm，薄膜厚度控制在50nm-200nm之间，定义出顶层电极7，如图2-(g)所示。

本实施例制备得到的柔性阻变存储器的电阻转换特性如图2所示。图2中1-器件在正向电压下从低阻态向高阻态转变过程；2-正向电压的高阻态保持过程；3-负向电压的高阻态保持过程；4-负向电压下高阻态向低阻态转变过程；

如图2可知，器件可以在一个电压扫描周期内完成一个完整的阻态变化过程。器件的某一电压值下对应着两个不同阻值大小的状态，这两个状态分别对应逻辑电路中的“0”和“1”。“0”和“1”分别对应着阻变功能层薄膜的电阻不同的两种状态。

本实施例提供了一种室温条件下，采用深紫外光线处理溶胶凝胶薄膜制备无机柔性阻变存储器的方法。该器件采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）为衬底，衬底之上为金属-绝缘物-透明导电氧化物结构的阻变存储器单元结构，阻变存储器的底层和顶层分别为透明导电氧化物薄膜和金属电极。阻变存储器的中间层是功能层，是在室温环境下采用深紫外光线激活的溶胶凝胶金属氧化物薄膜。本发明中的无机金属氧化物薄膜是在150℃温度环境下，经过深紫外光激活得到。使用本发明制备的柔性阻变存储器电阻开关性能良好，经过连续弯曲之后，器件仍能够保持电阻开关特征。

当柔性电极采用pen、pes、par或pi时采用上述制备方法同样能实现该发明。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。