一种氧化铈忆阻器薄膜的制备方法与流程

本发明属于微电子材料阻变存储器薄膜制备技术领域，特别是涉及一种氧化铈忆阻器薄膜的制备方法。

背景技术：

作为下一代非易失性存储器，忆阻器薄膜材料由于结构简单、兼容性好、读写速度快、耐久性高、能耗低和成本低等优势正在被广泛研究。

现阶段对于忆阻器薄膜器件来说，以氧空位型阻变存储器材料为主要研究对象，主要用于提高忆阻器薄膜器件的阻变性能，以确保其工作时具有良好的电压稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种氧化铈忆阻器薄膜的制备方法，用以提升忆阻器薄膜器件的性能。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种氧化铈忆阻器薄膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，制备氧化铈溶胶；

步骤2，采用浸渍-提拉法，以氧化铈溶胶为原料在室温下使用提拉机在氧化铟(ito)基板上进行氧化铈凝胶薄膜的提拉，氧化铈凝胶薄膜在室温下干燥后，于300℃-700℃下进行热处理，冷却后得到氧化铈薄膜；

步骤3，使用紫外线对步骤2得到的氧化铈薄膜进行辐照，得到氧化铈忆阻器薄膜。

本发明的技术方案，还具有以下特点，

在所述步骤1中，制备氧化铈溶胶具体为：以无水乙醇为溶剂，以硝酸铈为前驱体，苯甲酰丙酮为化学修饰剂，将硝酸铈、苯甲酰丙酮和无水乙醇以1:0.2:20的摩尔比混合后在磁力搅拌器上搅拌1h～2h直至混合液溶胶澄清，再将其密封好陈化20h～24h，即得到氧化铈溶胶。

在所述步骤1中，在室温下对得到的氧化铈胶溶搅拌6h～8h，之后陈化24h。

在所述步骤2中，热处理在氧气气氛下进行。

在所述步骤2中，热处理的时间为20min。

在所述步骤3中，使用功率为30w的紫外led光源对氧化铈薄膜进行辐照，该紫外led光源波长为365nm，辐照距离为2厘米，辐照时常为2h。

本发明的有益效果是：本发明的一种氧化铈忆阻器薄膜的制备方法具有制备成本低、工艺简单、容易控制等优点，不仅提高了氧化铈忆阻器薄膜的制备效率，而且制备得到的氧化铈忆阻器薄膜还具有良好的电阻反转特性。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备的氧化铈忆阻器薄膜表面的原子力(afm)显微镜二维照片；

图2为本发明实施例2中制备的氧化铈忆阻器薄膜表面的原子力(afm)显微镜二维照片；

图3为本发明实施例3中制备的纳米氧化铈忆阻器薄膜表面的原子力(afm)显微镜二维照片；

图4为本发明实施例3中制备的氧化铈忆阻器薄膜的x射线光电子能谱(xps)全谱图；

图5为本发明实施例3中制备的氧化铈忆阻器薄膜的x射线光电子能谱(xps)的ce3d谱图；

图6为实施例3中制备的氧化铈薄膜在紫外光辐照前的接触角测试结果图；

图7为实施例3中制备的氧化铈薄膜经过辐照后的接触角测试结果图；

图8为本发明实施例3中由氧化铈器薄膜制成的氧化铈忆阻器薄膜器件的伏安特性(i-v)曲线。

图9为本发明实施例7中由氧化铈忆阻器薄膜制成的氧化铈忆阻器薄膜器件的伏安特性(i-v)曲线。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

一种氧化铈忆阻器薄膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，以无水乙醇为溶剂，以硝酸铈为前驱体，苯甲酰丙酮为化学修饰剂，将硝酸铈、苯甲酰丙酮和无水乙醇以1:0.2:20的摩尔比混合后在磁力搅拌器上搅拌1h～2h直至混合液溶胶澄清，再将其密封好陈化20h～24h，即得到氧化铈溶胶，在室温下对得到的氧化铈胶溶搅拌6h～8h，之后陈化24h；

步骤2，采用浸渍-提拉法，以陈华后的氧化铈溶胶为原料在室温下使用提拉机在氧化铟(ito)基板上进行氧化铈凝胶薄膜的提拉，氧化铈凝胶薄膜在室温下干燥后，在氧气气氛下于300℃-700℃下进行热处理20min，冷却后得到氧化铈薄膜；

步骤3，使用功率为30w的紫外led光源对氧化铈薄膜进行辐照，得到氧化铈忆阻器薄；该紫外led光源波长为365nm，辐照距离为2厘米，辐照时常为2h。

顶电极制备，将氧化铈忆阻器薄膜样品放入溅射仪，固定好掩膜板(mask)，然后打开溅射仪电源，进行抽气，当真空度达到1*10-3pa后可对其进行顶电极的溅射。溅射靶材为pt，纯度为99.9％，溅射时间为5分钟。溅射好的pt层为氧化铈忆阻器薄膜的顶电极，一个纳米氧化铈薄膜忆阻器单元制备完成，可进行阻变性能的测试研究。

实施例1

一种氧化铈忆阻器薄膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，以无水乙醇为溶剂，以硝酸铈为前驱体，苯甲酰丙酮为化学修饰剂，将硝酸铈、苯甲酰丙酮和无水乙醇以1:0.2:20的摩尔比混合后在磁力搅拌器上搅拌1h直至混合液溶胶澄清，再将其密封好陈化20h，即得到氧化铈溶胶，在室温下对得到的氧化铈胶溶搅拌6h，之后陈化24h；

步骤2，采用浸渍-提拉法，以陈华后的氧化铈溶胶为原料在室温下使用提拉机在氧化铟(ito)基板上进行氧化铈凝胶薄膜的提拉，氧化铈凝胶薄膜在室温下干燥后，在氧气气氛下于300℃下进行热处理20min，冷却后得到氧化铈薄膜；

步骤3，使用功率为30w的紫外led光源对氧化铈薄膜进行辐照，得到氧化铈忆阻器薄；该紫外led光源波长为365nm，辐照距离为2厘米，辐照时常为2h。

实施例2

一种氧化铈忆阻器薄膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，以无水乙醇为溶剂，以硝酸铈为前驱体，苯甲酰丙酮为化学修饰剂，将硝酸铈、苯甲酰丙酮和无水乙醇以1:0.2:20的摩尔比混合后在磁力搅拌器上搅拌1.5h直至混合液溶胶澄清，再将其密封好陈化22h，即得到氧化铈溶胶，在室温下对得到的氧化铈胶溶搅拌7h，之后陈化24h；

步骤2，采用浸渍-提拉法，以陈华后的氧化铈溶胶为原料在室温下使用提拉机在氧化铟(ito)基板上进行氧化铈凝胶薄膜的提拉，氧化铈凝胶薄膜在室温下干燥后，在氧气气氛下于500℃下进行热处理20min，冷却后得到氧化铈薄膜；

步骤3，使用功率为30w的紫外led光源对氧化铈薄膜进行辐照，得到氧化铈忆阻器薄；该紫外led光源波长为365nm，辐照距离为2厘米，辐照时常为2h。

实施例3

一种氧化铈忆阻器薄膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，以无水乙醇为溶剂，以硝酸铈为前驱体，苯甲酰丙酮为化学修饰剂，将硝酸铈、苯甲酰丙酮和无水乙醇以1:0.2:20的摩尔比混合后在磁力搅拌器上搅拌2h直至混合液溶胶澄清，再将其密封好陈化24h，即得到氧化铈溶胶，在室温下对得到的氧化铈胶溶搅拌8h，之后陈化24h；

步骤2，采用浸渍-提拉法，以陈华后的氧化铈溶胶为原料在室温下使用提拉机在氧化铟(ito)基板上进行氧化铈凝胶薄膜的提拉，氧化铈凝胶薄膜在室温下干燥后，在氧气气氛下于700℃下进行热处理20min，冷却后得到氧化铈薄膜；

步骤3，使用功率为30w的紫外led光源对氧化铈薄膜进行辐照，得到氧化铈忆阻器薄；该紫外led光源波长为365nm，辐照距离为2厘米，辐照时常为2h。

如图1所示，使用原子力显微镜(afm)对实施例1制备的氧化铈忆阻器薄表面进行微观研究，扫描面积为2*2um²，在300℃下热处理的氧化铈薄膜，经过氧气气氛下的热处理，有机物的挥发，有明显颗粒形成，颗粒尺寸较小约为200nm且颗粒大小均匀，微观形态下的表面起伏在52.94nm。

如图2所示，使用原子力显微镜(afm)对实施例2制备的氧化铈忆阻器薄表面进行微观研究，扫描面积为2*2um²，在500℃下热处理的氧化铈薄膜，经过氧气气氛下的热处理，有明显颗粒形成，颗粒尺寸较小约为200nm且均匀，微观形态下的表面起伏在24.86nm，比实施例1中的氧化铈薄膜表面起伏有所降低。

如图3所示，使用原子力显微镜(afm)对实施例3制备的氧化铈忆阻器薄表面进行微观研究，扫描面积为2*2um²，扫描面积为2*2um²，在700℃下热处理的氧化铈薄膜，经过氧气气氛下的热处理，有明显颗粒形成，颗粒尺寸明显减小，形成了纳米级颗粒，尺寸约为100nm且均匀，微观形态下的表面起伏在22.17nm。

图4为本发明实施例3中制备的纳米氧化铈忆阻器薄膜的x射线光电子能谱(xps)全谱图，图中出现了六个峰，这些峰分别对应了的是ce3d5/2和ce3d3/2的自旋轨道裂分缝。说明该氧化铈忆阻器薄膜中同时存在ce³⁺和ce⁴⁺两种价态。

图5为本发明实施例3中制备的氧化铈忆阻器薄膜的x射线光电子能谱(xps)的ce3d谱图，图中峰由三个峰拟合而成，1号峰为晶格氧，也就是ce-o键的结合能，2号峰为薄膜表面吸附的氧，即-oh、h2o等，3号峰对应的是氧空位，因此，在x射线光电子能谱探测深度范围内测得了掺杂氧化钛薄膜中分别含有ce3d以及o1s。

使用表面接触角测量仪对实施例3制备的氧化铈忆阻器薄膜进行紫外光辐照工艺处理，并分别对紫外光辐照前后的表面进行表面接触角研究。图6为实施例3中制备的氧化铈薄膜在紫外光辐照前的接触角测试结果图，采用的测试液体为去离子水，接触角为67.7°。由于氧化铈薄膜具有较好的光催化性，本发明的技术方案采用紫外光辐照的方法，提高氧化铈薄膜表面的氧空位缺陷，从而提高了氧化铈薄膜的阻变性能。使用施例3中制备的氧化铈薄膜进行大功率紫外led光源辐照，该紫外光源波长为365nm，功率为30w，辐照距离为2厘米，辐照时常为2小时。图7为实施例3中制备的氧化铈薄膜经过辐照后的接触角测试结果图，采用的测试液体为去离子水，接触角为13.5°，显而易见经过紫外光源辐照后的氧化铈忆阻器薄膜表面接触角明显减小了。

使用电学测试仪对实施例3中由氧化铈器薄膜制成的氧化铈忆阻器薄膜器件进行测试，图8为该氧化铈忆阻器薄膜器件的i-v曲线。该异质结具有完整的双极性电阻转变特性。可以看到氧化铈忆阻器薄膜器件在电压为在2-2.5v的范围时电阻有明显突变的情况，然而突变情况不是很稳定，该氧化铈忆阻器薄膜器件从高阻态变为低阻态，即发生set过程，并且在后续的测试中稳定地保持着低阻态。当施加反向电压，在电压为-1.8v时电阻从低阻态转变为高阻态，即发生复位reset过程，并且在后续的测试中保持了高阻态的性能。使用电学测试仪对实施例3中由氧化铈忆阻器薄膜制成的氧化铈忆阻器薄膜器件进行测试，图9为紫外光源辐照后得到的氧化铈忆阻器薄膜的i-v曲线，该异质结具有完整的双极性电阻转变特性，可以看到氧化铈忆阻器薄膜器件在电压为0.91v的位置时电阻有个明显突变的情况，氧化铈忆阻器薄膜器件从高阻态变为低阻态，即发生set过程，并且在后续的测试中稳定地保持着低阻态；当施加反向电压，在电压为-1.00v时电阻从低阻态转变为高阻态，即发生复位reset过程，并且在后续的测试中保持了高阻态的性能。

氧化铈忆阻器薄膜经过紫外光源辐照后，电阻转变性能有了明显的提升，设置set电压和复位reset电压明显降低，由其制成的氧化铈忆阻器薄膜器件的稳定性也较好。这主要是由于在辐照的过程中氧化铈忆阻器薄膜表面产生了更多的氧空位，使得氧空位的迁移几率增大；氧空位随电场方向移动的阻力较小，致使器件的set电压和reset电压均较小，呈现低功耗性，显示出较好的电阻转变特性。