一种基于氧空位调控的阻态可调忆阻器及其制备方法

本发明涉及信息处理材料领域，尤其涉及一种基于氧空位调控的阻态可调忆阻器及其制备方法。

背景技术：

1、忆阻器是一种介于传统随机存储器(ram)和闪存之间的新型存储技术，它能够结合ram和闪存的优势，达到更高的存储密度和更快的数据访问速度。由于忆阻器具有较低的功耗、更好的重复性、更长的保持特性、多级储存特性、更高的一致性、更大的储值窗口、更快的操作速度和半导体集成工艺完美兼容等优点，被广泛应用于物联网、汽车、医疗、人工智能等领域。

2、忆阻器的单元结构由上至下依次包括上电极、阻变层、下电极和衬底基片，上电极和下电极为金属电极，中间为阻变层。操作忆阻器时，在上下电极间施加电压，中间的阻变层会形成导电通道。通过改变上下电极间的电压来控制导电通道的电阻值，进而使得存储器件的阻态发生变化，而不同的阻态代表不同的存储状态，即使去掉电极上的电压信号，阻态仍然会继续保持，因此可以实现非易失性存储。

3、现有的忆阻器一般包括双阻态忆阻器和多阻态忆阻器。双阻态忆阻器由于具有稳定的高阻态和低阻态，使得其在实现二进制数据存储和计算时具有较大的优势；多阻态忆阻器由于其除了具有高阻态和低阻态外，还具有多个中间阻态，且其高阻态、低阻态和多个中间阻态是不断转换的，因此使得其在多值数据的存储和计算时显现出巨大优势。

4、但在目前的研究报道中，使用相同材料制备出来的忆阻器只能为双阻态忆阻器或者多阻态忆阻器，不能通过简单改变工艺参数使制备出来的忆阻器实现双阻态和多阻态的切换调控。

5、同时，阻变层是忆阻器结构的核心，阻变层的忆阻特性直接决定了忆阻器的主要核心性能指标，为了赋予忆阻器较好的性能，目前研究较多的忆阻器中，其阻变层为多层结构，在制备不同层时需要控制不同的溅射条件，导致忆阻器制备过程复杂，限制忆阻器进一步发展和产业化。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提出一种基于氧空位调控的阻态可调忆阻器的制备方法，制备方法简单，操作性强，确保得到的忆阻器可实现双阻态和多阻态的切换调控，以克服现有技术的不足。

2、本发明的第二目的在于提出一种基于氧空位调控的阻态可调忆阻器，其可实现双阻态和多阻态之间的切换，且阻变层为单层结构，使制备流程简化，成本低，可控性强，适合进一步发展和产业化应用，以克服现有技术的不足。

3、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

4、一种基于氧空位调控的阻态可调忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

5、s1.清洗并烘干衬底基片；

6、s2.在惰性气体的气氛下，通过磁控溅射将低活性金属ⅰ沉积于步骤s1中的衬底基片上，得到下电极；

7、s3.在混合气体的气氛下，通过在磁控溅射镀膜机中，利用化学气相沉积法将金属氧化物沉积于步骤s2的下电极，得到阻变层；其中，所述磁控溅射镀膜机的腔体温度为200～600℃，所述金属氧化物中金属离子可实现的价态数量至少有3个，所述混合气体包括惰性气体和氧气，且按照质量百分比，所述混合气体中的氧气含量为6～28％；

8、s4.在惰性气体的气氛下，通过磁控溅射将低活性金属ⅱ沉积于步骤s3的阻变层上，得到上电极，并制得基于氧空位调控的阻态可调忆阻器。

9、进一步地，所述金属氧化物包括taox、tioy和nboz中的任意一种，且0＜x≤2.5，0＜y≤1,0＜z≤2.5。

10、进一步地，步骤s3中，所述磁控溅射镀膜机的腔体温度为300～500℃；

11、按照质量百分比，所述混合气体的氧气含量为6～15％。

12、进一步地，步骤s3中，所述磁控溅射镀膜机的腔体温度为200～400℃；

13、按照质量百分比，所述混合气体的氧气含量为16～28％。

14、进一步地，所述低活性金属ⅰ包括au、ti和nb中的任意一种；

15、所述低活性金属ⅱ包括ta、ti和nb中的任意一种。

16、进一步地，步骤s2中，所述下电极的厚度为50～100nm；

17、步骤s3中，所述阻变层的厚度为80～250nm；

18、步骤s4中，所述上电极的厚度为200～300nm。

19、进一步地，所述衬底基片为石英片、硅片和氧化铟锡中的任意一种。

20、进一步地，步骤s1中，所述衬底基片的清洗具体步骤为：

21、将所述衬底基片浸泡在装有洗洁精的超声清洗机中，超声处理10～20min；

22、将所述衬底基片浸泡在装有无水乙醇的超声清洗机中，超声处理10～20min；

23、将所述衬底基片浸泡在装有去离子的超声清洗机中，超声处理10～20min。

24、进一步地，步骤s2中，所述磁控溅射镀膜机的腔体压强为0.5×10-4～3.5×10-4pa，溅射功率为100～200w,惰性气体的流速为15～25sccm；

25、步骤s3中，所述磁控溅射镀膜机的腔体压强为0.5×10-4～3.5×10-4pa，溅射功率为100～200w，惰性气体的流速为15～25sccm，氧气的流速为1～10sccm；

26、步骤s4中，所述磁控溅射镀膜机的腔体为0.5×10-4～3.5×10-4pa，溅射功率为100～200w,惰性气体的流速为15～25sccm。

27、一种基于氧空位调控的阻态可调忆阻器，使用如上述的基于氧空位调控的阻态可调忆阻器的制备方法制得。

28、本技术实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

29、1、通过控制磁控溅射镀膜机的温度以及混合气体中氧气含量，使阻变层为金属氧化物，且金属氧化物中金属离子可实现的价态数量至少有3个，使得可以根据实际需要使用相同材料制备双阻态忆阻器或者多阻态忆阻器，实现忆阻器双阻态和多阻态的切换调控，从而满足实际的应用需求。同时，本技术方案所获得的的阻变层为单层结构，使制备流程简化，成本低，可控操作性强，适合进一步发展和产业化应用。氧空位是指在金属氧化物中，晶格中的氧原子(氧离子)脱离，导致氧缺失，形成的空位。简单来说，就是指氧原子从金属氧化物的晶格中逸出而留下的缺陷。

30、2、当下电极被过多氧化成为氧化物，而由于氧化物不导电，当其被氧化时，将使得下电极失去其功效，不能再作为下电极使用。同时，当下电极材料活性太高时，在电场的作用下其金属离子将穿过阻变层，导致其在阻变层中也同样会形成导电丝，产生阻变现象，从而对阻变层自身的阻变现象产生影响，导致无法精准调控忆阻器的阻态。因此本技术方案中通过磁控溅射将低活性金属ⅰ沉积于步骤s1中衬底基片上，一方面避免低活性金属ⅰ被氧化，导致下电极失活，从而确保下电极的功效，另一方面也避免金属ⅰ活性太高对忆阻器阻态精准调控产生影响。

31、3、磁控溅射镀膜机的腔体温度为200～600℃，使得金属容易被氧化成金属氧化物。其中，化学气相沉积法指的是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应，使得气态前驱体中的某些成分分解，而在基体上形成薄膜。进一步地，磁控溅射中的气氛为惰性和氧气的混合气氛，按照质量百分比，混合气体中氧气含量为6～28％，当混合气氛中氧气含量＜6％时，阻变层中的金属还没被氧化，得到的阻变层已经导通或者接近导通状态，阻变层不再具备阻变现象；当混合气氛中氧气含量＞28％时，阻变层中的金属已经完全氧化或者接近完全氧化，得到的阻变层基本不包含氧空位，阻变层同样不再具备阻变现象。因此，本技术方案通过控制混合气体氧气含量为6～28％，确保忆阻器具备阻变现象。同时，金属氧化物中金属离子可实现的价态数量至少有3个，确保利用该金属氧化物为作为阻变层时，通过改变金属氧化物的价态数量，即可根据实际需要使用相同材料制备出双阻态忆阻器或者多阻态忆阻器，实现忆阻器双阻态和多阻态的切换调控。