一种基于氧化铒薄膜的忆阻器件及其制备方法与流程

本发明属于半导体薄膜器件领域，具体涉及一种基于氧化铒薄膜的忆阻器件及其制备方法。

背景技术：

随着信息科学的发展，电子信息产业也得到了飞速的发展。电子器件作为信息产业的基础，电子元器件不断的技术革新是促进信息科学技术迅猛发展的强大动力。同时，人们对电子器件性能的要求也越来越高，无疑的这是现代人们对科学界提出的挑战。忆阻器作为一种新型电子元器件以其独特的非易失性的电学特性和优越的性能而备受研究者广泛地关注。并且忆阻器被认为是下一代新概念存储器中最具有应用前景的候选者之一。

忆阻器，全称记忆电阻。在1965-1971年间，科学家们已经在部分二元氧化物薄膜制备的金属-氧化物-金属三明治结构中观测到了电流(i)-电压(v)滞后曲线,然而当时研究者对其现象认识只停留在表面上，更不清楚这样器件表现出来的性质和用途。随后最早提出忆阻器概念的人是华裔的科学家蔡少棠教授，时间是1971年，当时蔡教授在研究电压(v)、电流(i)、磁通量(φ)以及电荷量(q)等四个基本量之间的关系时，根据数学逻辑关系的完整性提出忆阻器的存在。直到2008年，惠普公司的研究人员dmitrib.strukov等研究者在实验上证明了忆阻器的存在，并且将其研究论文发表在2008年的《nature》期刊上，题为《寻找下落不明的忆阻器》文章与蔡少棠教授在1971年发表的《忆阻器，下落不明的电路元件》遥相呼应。忆阻器是典型的“三明治”(mim)结构，其上下电极之间的功能层一般采用能够发生电阻转变的阻变层材料。在一个外加电压脉冲信号的作用下，该器件的电阻能在高阻态(hrs)和低阻态(lrs)之间发生转换，从而实现“0”和“1”的存储。

自从2008年以来，忆阻器以其独特的优点，诸如器件的结构简单，高的存储密度，低的功耗，快的读写速度等优点备受研究者的青睐。世界各国科学家掀起了忆阻器的研究高潮,不仅对忆阻器的工作原理，对忆阻器的信息存储的时效性和以及读写次数，开关比率被一次次刷新。研究者开始寻找性能更优，廉价，环保，且益于获取的忆阻材料，同时有大量的文献报道了具有忆阻的材料和忆阻器的制备方法。制备忆阻器的方法有：真空溅射、气相沉积、分子束外延、热蒸发、旋涂、电沉积和水热法等常规的薄膜制备工艺制备。对于无机材料一般采用真空溅射的方法制备器件，因为真空溅射相对比较廉价，可以大规模化生产，且制备的薄膜厚度可控，均匀性良好等优点。对于有机薄膜的制备一般采用旋涂的技术制备薄膜。研究者根据大量的实验证实了忆阻效应不仅依赖于使用的功能层材料，而且还依赖器件的电极材料。尽管有关忆阻器的报道有很多，但是还有许多的基础工作尚未解决，如合成忆阻效应更为明显的材料和更先进的薄膜制备技术，同时，进一步明确忆阻随机存储器的电阻转变机理。近几年以来，忆阻存储器己成为材料学、信息科学和物理学领域新的研究方向。忆阻器的发现对电子科学的发展将产生非常大的影响，特别是对电阻随机存储器的发展具有里程碑的作用。虽然目前有很多关于忆阻器的研究，但是要实现忆阻随机存储器产业化，还有许多的基础问题需要解决，如探索更先进的薄膜制备工艺性能更加优异的存储材料，忆阻效应更为明显的器件结构。进一步阐明忆阻随机存储器的阻变机理。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于氧化铒薄膜的忆阻器件及其制备方法，该忆阻器是一种实现了电极材料对rram存储器正负存储窗口的可控调节的电子元件，该器件结构简单、性能优异、稳定、重复性好，在下一代新概念存储器件领域具有很好的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于氧化铒薄膜的忆阻器，包括顶电极、氧化铒薄膜以及底电极，所述氧化铒薄膜位于顶电极和底电极之间，其中，顶电极和底电极的材料分别为氧化铟锡或银，构成氧化铟锡或银/氧化铒/氧化铟锡或银三明治结构。

上述技术方案中，所述氧化铒薄膜的厚度为300～500nm。所述顶电极氧化铟锡或银的厚度优选400～600nm，所述底电极氧化铟锡或银的厚度优选400～600nm。

值得说明的是，氧化铒相比其它材料具有较高的介电常数，较大的禁带宽度和良好的热稳定性，并且其在可见光谱范围内具有很高的透明度。在本发明中，功能层氧化铒薄膜的厚度为300～500nm，薄膜的厚度影响了set和reset电压，进一步决定了开关的记忆窗口的大小，当功能层的厚度为300～500nm时该器件具有较大的记忆窗口。不同的电极材料影响了功能层内部导电通道的形成方向，导电通道的形成方向和界面势垒的变化共同调控了开关的方向和存储窗口，其中导电通道形成方向主要影响存储器存储窗口的正负。在电场的作用下，电极材料中的活性离子进入功能层形成导电通道进而实现该器件的阻态转变。通常情况下，选用活性的金属ag和惰性的ito或fto作为电极材料。

一种上述基于氧化铒薄膜的忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

s1、清洗衬底：洗净基片并吹干，备用；

s2、制备底电极：采用磁控溅射法，以氧化铟锡(ito)或银靶材(ag)为溅射源，在基片上溅射沉积底电极；

s3、制备功能层：采用射频溅射法，以氧化铒靶材为溅射源，在底电极上沉积功能层er2o3薄膜；

s4、沉积顶电极：采用直流溅射法，以氧化铟锡或银靶材为溅射源，在氧化铒薄膜表面沉积上电极，制得氧化铟锡或银/氧化铒/氧化铟锡或银三明治结构的忆阻器。

上述技术方案中，所述步骤s1中，清洗的具体步骤是：将基片依次放入去离子水、酒精、丙酮、酒精、去离子水中，分别超声清洗10～20min，吹干后备用。清洗的目的是为去除衬底表面的杂质，因此在达到清洗目的的前提下，也可采用本领域常规采用的其他清洗方式。所述基片为玻璃片或本领域常规使用的其他衬底。

上述技术方案中，所述步骤s2中，具体步骤是：在磁控溅射腔体中安装ito靶材或ag靶材，设置靶材到衬底的距离为8～12厘米，将溅射室本底真空度抽至小于5×10^-4pa，通入纯度为99.999％的氩气作为工作气体，溅射气压为1.0～2.0pa，直流溅射电流为0.2～0.3a，溅射时间为10～20min。

上述技术方案中，所述步骤s3中，靶基距为8～10厘米，将溅射室本底真空度抽至小于5×10^-4pa，通入纯度为99.999％的氩气作为工作气体，溅射气压为1.0～2.0pa，溅射功率为80～100w，溅射时间为20～30min。

上述技术方案中，所述步骤s4中，设置靶材到衬底的距离为8～12厘米，将溅射室本底真空度抽至小于5×10^-4pa，通入纯度为99.999％的氩气作为工作气体，溅射气压为1.0～2.0pa，直流溅射电流为0.2～0.3a，溅射时间为10～20min。

上述技术方案中，所述忆阻器件为银/氧化铒/氧化铟锡结构和氧化铟锡/氧化铒/银结构。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于氧化铒薄膜的忆阻器件及其制备方法，该忆阻器件是一种电极材料对rram存储器正负存储窗口的可控调节的电子器件，该器件结构简单、性能优异、稳定、重复性好，在新型存储器、振荡器等电子器件领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例制得器件的电流-电压(i-v)特征曲线；

图2是本发明实施例制得器件的电阻-圈数(r-c)特征曲线；

图3是本发明实施例制得器件的电阻-时间(r-t)特征曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

本发明忆阻器件的制备方法，包括以下步骤：

s1、清洗衬底：将基片依次放入去离子水、酒精、丙酮、酒精、去离子水中，分别超声清洗10-20min，基片吹干后放入磁控溅射腔体中；

s2、制备底电极：在磁控溅射腔体中安装底电极的溅射源，即ito或ag靶材，设置靶材到衬底的距离为8～12厘米，将溅射室本底真空度抽至小于5×10^-4pa，通入纯度为99.999％的氩气作为工作气体，溅射气压为1.0～2.0pa，直流溅射电流为0.2～0.3a，溅射时间为10～20min；

s3、制备功能层：采用射频溅射法，以er2o3靶材为溅射源，设置靶基距为8～10厘米，将溅射室本底真空度抽至小于5×10^-4pa，通入纯度为99.999％的氩气作为工作气体，溅射气压为1.0～2.0pa，溅射功率为80～100w，溅射时间为20～30min，在底电极上沉积功能层er2o3薄膜，其厚度是300～500nm；

s4、沉积顶电极：采用直流溅射法，以ag或ito靶材为溅射源，设置靶材到衬底的距离为8～12厘米，将溅射室本底真空度抽至小于5×10^-4pa，通入纯度为99.999％的氩气作为工作气体，溅射气压为1.0～2.0pa，直流溅射电流为0.2～0.3a，溅射时间为10～20min，在er2o3薄膜表面沉积上电极，分别制备了结构为ag/er2o3/ito和ito/er2o3/ag的器件。

图1是本发明实施例1制得结构为ag/er2o3/ito和ito/er2o3/ag器件的电流-电压(i-v)特征曲线，即忆阻效应的表征图。测试在室温下进行，从图1中可以看出通过调换电极材料可以实现对rram存储器正负存储窗口的可控调节。

图2是本发明实施例1制得结构为ag/er2o3/ito和ito/er2o3/ag器件的电阻-圈数(r-c)变化趋势。从图2中可知该开关具有相对优良的稳定特性。

图3是本发明实施例1制得器件的电阻-时间(r-t)变化趋势，表现出优异的耐久性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。