一种基于非晶态锰酸镧薄膜的交叉杆结构忆阻器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于非晶态锰酸镧薄膜的交叉杆结构忆阻器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四种电路元件，利用其独特的电阻记忆功能，忆阻器在很多领域有着重要应用，尤其在信息存储、逻辑运算以及神经网络等方面有着巨大的研究价值和应用潜力。通常来说，忆阻器的结构是平面型的金属/阻变层/金属三明治结构，然而在实际中，忆阻器会根据不同的应用需求而采取具体的结构形式，如电极的选择与形状大小、电极与阻变材料层的连接方式，因此制备具有不同结构形式的忆阻器具有较高的应用价值。
[0003]交叉杆结构是一种由两层平行电极相互垂直交叉而成的二维阵列，每个交叉点处的上下电极间夹有特定功能的材料，可作为一个有效的存储或者逻辑单元。此种结构集成度高、具有良好的容错性和并行性、可灵活选用中间层材料来实现不同功能。Chen Yong等人的文献，Nano scale molecular-switch devices fabricated by imprintlithography，采用纳米压印技术制备了基于有机轮烷分子的交叉杆结构阻变存储器，之后他们在Iym2的面积上制备出了 8 X 8的交叉杆结构，存储密度为6.4Gb it s/cm2 ο Jung G.Y.等人的文南犬，Fabricat1n of a 34X34crossbar structure at 50nm half-pitch by UV-based nanoimprint lithography，同样采用纳米压印技术制备了34X34的交叉杆结构，存储密度达到10Gbits/cm2o
[0004]上述制备的基于轮烷的纳米交叉杆结构一般采用纳米压印技术和电子束光刻技术，但这些技术需要复杂的设备和工艺流程，存在成本高、工艺时间长等不足，有时甚至会对材料造成损伤而影响忆阻器的性能。而且由于上述交叉杆结构忆阻器选用了有机分子轮烷作为功能层，导致制备的交叉杆结构忆阻器的稳定性和耐久性较差，很难用于实际。锰酸镧作为一种钙钛矿型复合氧化物，属电荷、轨道、晶格、自旋等自由度相互耦合的强关联体系，内部存在多种复杂的相互作用，是一类具有独特物理性质和化学性质的功能材料，可克服有机分子作为忆阻器功能层存在的缺点。但以往在忆阻器上应用的锰酸镧薄膜主要是晶态的，这种晶态锰酸镧薄膜的制备温度高，甚至还需要在高温氧气氛下退火，这不利于和其它工艺兼容及实际应用。而且，基于晶态锰酸镧薄膜的交叉杆结构忆阻器存在电阻变化量小、操作电压高、忆阻单元易短路等诸多问题，难以满足高性能存储和运算的需求。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作电压低、阻变性能好的基于非晶态锰酸镧薄膜的交叉杆结构的忆阻器及其制备方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为:
[0007]—种基于非晶态锰酸镧薄膜的交叉杆结构忆阻器的制备方法，包括以下步骤:
[0008](I)采用直流磁控溅射法在衬底上制备出底电极；
[0009](2)采用射频磁控溅射法在所述底电极上制备出非晶态锰酸镧薄膜；
[0010](3)采用直流磁控溅射法在所述非晶态锰酸镧薄膜上制备出与底电极相互垂直的顶电极，即得到所述的交叉杆结构忆阻器。
[0011]上述的制备方法，优选的，所述步骤(I)和步骤(3)中，底电极和顶电极均通过第一金属掩模制备，所述第一金属掩模的中间具有数条平行的条状镂空图案，所述条状图案的线宽为50μηι?80μηι。
[0012]上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，非晶态锰酸镧薄膜通过第二金属掩模制备，所述第二金属掩模的中间具有一个方形镂空图案，所述方形镂空图案的尺寸小于所述第一金属掩模中的数条平行条状镂空图案的总尺寸。
[0013]优选的，第一金属掩模和第二金属掩模均为不锈钢材质，第一金属掩模的四周具有四个十字形或方形的镂空图案用于制备顶电极时保证顶电极与底电极的垂直对准，第一金属掩模的中间设有方形凹坑用于放置衬底。
[0014]上述的制备方法过程中，采用磁控溅射法沉积薄膜(底电极、非晶态锰酸镧薄膜和顶电极)时，用金属掩模和盖板将衬底夹在中间，并通过金属掩模和盖板边上的圆孔进行螺丝固定。
[0015]上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，射频磁控溅射的工艺条件为:以锰酸镧陶瓷靶为溅射靶材，腔室压力小于5 X 10—4Pa，溅射温度范围为20°C?100°C，溅射压力为
0.8Pa?1.5Pa，溅射功率为50W?100W，溅射气体中氩气流量为20sccm?40sccm，氧气体积占溅射气体的体积分数为10%?30%。
[0016]上述的制备方法，优选的，所述步骤(I)中，直流磁控溅射法的工艺条件为:以金属Pt靶为溅射靶材，腔室压力小于1\10—如，溅射温度为201，溅射压力为1.(^?2.(^，溅射功率为1W?20W，溅射气体氩气流量为20SCCm?40SCCm。采用直流磁控溅射法溅射金属，溅射速率很快。本发明为克服忆阻单元易短路的缺点，需要较薄厚度的底电极层，而快速溅射不容易对较薄薄膜的厚度进行控制。通过对溅射工艺条件的优化，有利于控制溅射速率，从而有利于获得较薄厚度的底电极层。
[0017]上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，直流磁控溅射法的工艺条件为:以金属Ag靶为溅射靶材，腔室压力小于1\10—如，溅射温度为201，派射压力为1.(^?2.(^，溅射功率为1W?20W，溅射气体氩气流量为20sccm?40sccm。
[0018]申请人通过多次研究射频磁控派射的工艺，选择合适的工艺条件能控制功能层非晶态锰酸镧薄膜的厚度以及底电极和顶电极的厚度，对功能层厚度以及底电极和顶电极厚度的调节，有利于降低忆阻单元短路的可能。
[0019]本发明还提供一种由上述方法获得的交叉杆结构忆阻器，为依次由衬底、底电极、功能层和顶电极构成的层状结构，所述底电极由数条相互平行的底电极条构成，所述顶电极由数条相互平行的顶电极条构成，所述底电极和顶电极相互垂直;所述功能层为非晶态锰酸镧薄膜。
[0020]上述的交叉杆结构忆阻器，优选的，所述非晶态锰酸镧薄膜的厚度为40nm?60nm。申请人通过大量研究发现，非晶态锰酸镧薄膜的厚度低于40nm时，对底电极拐角处的覆盖不完整，容易引起短路;高于60nm时，不利于操作电压的降低。因此，选择40nm?60nm厚的非晶态锰酸镧薄膜，既可保证较低的操作电压，也可避免顶电极与底电极直接接触而短路。[OO21 ]上述的交叉杆结构忆阻器，优选的，所述底电极为30nm?60nm厚的Pt薄膜，所述顶电极为50nm?I OOnm厚的Ag薄膜。选择较小厚度的底电极和顶电极，可提高台阶的覆盖能力，降低Pt薄膜与Ag薄膜直接接触而短路的可能。优选的，所述底电极条和所述顶电极条的宽度为50μπι?80μπι;申请人通过大量的研究发现，电极条的宽度低于50μπι时，电阻较大，在电极上的分压也比较大，所以发生阻变需要更高的操作电压，不利于操作电压的降低；电极条的宽度高于80μπι时，忆阻单元数目会降低，不利于满足高密度存储的要求；因此选择50μπι?80μπι宽的电极条，既可满足高密度存储而无相互间的干扰，也降低了电极上的分压，从而降低操作电压。
[0022]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0023](I)本发明制备的基于非晶态锰酸镧薄膜的交叉杆结构忆阻器电阻变化量大、操作电压低、忆阻单元不易短路、易于和其他工艺兼容，能满足高性能存储和运算的需求。
[0024](2)本发明的基于非晶态锰酸镧薄膜的交叉杆结构忆阻器，通过对底电极、功能层、顶电极厚度的调节，降低了忆阻单元短路的可能，同时操作电压低。
[0025](3)本发明非晶态锰酸镧薄膜是在20°C和100°C之间制备的，这种低温制备有利于降低能耗，以及有利于和其它工艺兼容及实际应用。
[0026](4)本发明交叉杆结构是采用金属掩膜法制备的，这种方法不需要复杂的设备，制备工艺过程简单、成本低，不会对阻变材料造成损伤。
【附图说明】
[0027]图1为本发明实施例1制备交叉杆结构忆阻器所用的第一金属掩模照片。
[0028]图2为本发明实施例1制备交叉杆结构忆阻器所用的第二金属掩模照片。
[0029]图3为本发明实施例1制备交叉杆结构忆阻器所用的盖板照片。
[0030]图4为本发明实施例1制备交叉杆结构忆阻器衬底/底电极结构的照片。
[0031]图5为本发明实施例1制备交叉杆结构忆阻器衬底/底电极/非晶态锰酸镧薄膜结构的照片。
[0032]图6为本发明实施例1制备的交叉杆结构忆阻器的照片。
[0033]图7为本发明实施例1制备的交叉杆结构忆阻器的扫描电镜图。
[0034]图8为本发明实施例1制备的交叉杆结构忆阻器的电流-电压特征曲线。
[0035]图9为本发明实施例2制备的交叉杆结构忆阻器的电流-电压特征曲线。
[0036]图10为本发明实施例3制备的交叉杆结构忆阻器的电流-电压特征曲线。
【具体实施方式】
[0037]为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
[0038]除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
[0039]除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
[0040]实施例1:
[0041]—种本发明的基于非晶态锰酸镧薄膜的交叉杆结构忆阻器的制备方法，包括以下步骤:
[0042](I)将如图1所示的不锈钢第一金属掩模(中间镂空的平行条状图案的线宽为50μm)和如图3所示的盖板将Si02(300nm)/Si(Si上有一层厚度为300nm的S12)衬底夹在中间并通过螺丝对第一金属掩模和盖板进行固定，采用直流磁控溅射法制备出由18条相互平行的Pt薄膜形成的底电极，如图4所示，每条Pt薄膜厚度为30nm、宽度为50μπι;其中直流磁控溅射的工艺条件包括:以金属Pt靶为溅射靶材，腔室压力小于I X 10—3Pa,溅射温度为20°C，溅射压力为l.0Pa，溅射功率为10W，溅射气体氩气流量为20SCCm;
[0043](2)将如图2所示的不锈钢第二金属掩模和如图3所示的盖板将步骤(I)中得到的衬底和底电极的复合结构夹在中间并通过螺丝固定，采用射频磁控溅射法制备出方形锰酸镧薄膜