一种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器及其制备方法，在硅片或其他衬底(石英，塑料)上依次沉积金属底电极，当进行I?V或V?I扫描测试时，该忆阻器显示出不同的阻值状态，能够对应不同的记忆阶段。而当进行脉冲电压测试时，该忆阻器的阻值随脉冲电压的增加而逐步减小并在特定的阻态上基本保持不变，从而显示出自学功能。本发明具备稳定的自学功能，可在85oC下稳定运行30年已满足当前工业需求。
【专利说明】
一种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器及其制备方法【
技术领域
】
[0001]本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]自学功能的体现在于该器件可随着施加电压的变化而实现对应的阻值变化。这一功能的实现对于忆阻器模拟人类神经突触功能的研究工作具有重要意义。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。时间是1971年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，任教于加州大学伯克利分校的蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“I”，低阻值定义为“O”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。由于忆阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地储存和处理信息。一个忆阻器的工作量，相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。研究人员称，忆阻器可让手机在使用数周或更久时间后无需充电，也可使笔记本电脑在电池电量耗尽后很久仍能保存信息。忆阻器也有望挑战数码设备中普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍可以保存信息的能力。利用这项新发现制成的芯片，将比闪存更快地保存信息，消耗更少的电力，占用更少的空间。
【
【发明内容】
】
[0003]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器及其制备方法。
[0004]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现:
[0005]—种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器，包括衬底，衬底上依次设置金属底电极和金属顶电极，金属底电极和金属顶电极之间设置有源层。
[0006]本发明进一步的改进在于:
[0007]所述衬底为石英衬底、PET衬底或硅片衬底。
[0008]所述金属底电极的厚度为300?500nm。
[0009]所述金属底电极的材料采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。
[0010]所述有源层为沉积在金属底电极上的AlOxNy薄膜或AlN薄膜，AlOxNy薄膜或AlN薄膜的厚度为10?30歷，其中1:7为(0.5?2):10
[00??] 所述金属顶电极的厚度为300?500nmo
[0012]所述金属顶电极的材料采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。
[0013]—种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器的制备方法，包括以下步骤:
[0014]I)在石英衬底、PET衬底或硅片衬底上，用离子束蒸发法沉积一层厚度为300?500nm的金属底电极；
[0015]2)利用磁控溅射技术在金属底电极上沉积一层厚度为10?30nm的AlOxNy薄膜或AlN薄膜；
[0016]3)在AlOxNy薄膜或AlN薄膜上利用离子束蒸发法和掩模版沉积一层厚度为500nm的金属顶电极。
[0017]本发明进一步的改进在于:
[0018]所述步骤I)和3)中，金属底电极和金属顶电极的材料均采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。
[0019]所述步骤2)中，在磁控溅射镀膜机的相应腔室中，通入体积比为45:15sCCm的氩气和氮气的混合气体，设定真空度10?6Torr，镀膜稳定气压0.5?IPa ;革E材选用纯度为99.99%的铝靶。
[0020]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0021]本发明在硅片或其他衬底(石英，塑料)上依次沉积金属底电极，当进行1-V或V-1扫描测试时，该忆阻器显示出不同的阻值状态，能够对应不同的记忆阶段。而当进行脉冲电压测试时，该忆阻器的阻值随脉冲电压的增加而逐步减小并在特定的阻态上基本保持不变，从而显示出自学功能。本发明具备稳定的自学功能，可在85°C下稳定运行30年已满足当前工业需求。
【【附图说明】】
[0022]图1为本发明的整体结构示意图；
[0023]图2为本发明在1-V测试中呈现多阻值特性图；
[0024]图3为本发明在V-1测试中呈现多阻值特性图；
[0025]图4为本发明在脉冲电压激励下从高阻态向低阻态转换图；
[0026]图5为本发明在室温和高温下完成超过100次循环的阻值稳定性测试图；
[0027]图6为本发明在高温状态下长期保持阻值稳定性的测试图。
[0028]其中:1_衬底;2-金属底电极;3-金属顶电极。
【【具体实施方式】】
[0029]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0030]参见图1，本发明包括衬底I，衬底I为石英衬底、PET衬底或硅片衬底。衬底I上沉积金属底电极2，金属底电极2上沉积AlOxNy薄膜或AlN薄膜，AlOxNy薄膜或AlN薄膜上沉积金属顶电极3。金属底电极2的厚度为300?500nm，A10xNy薄膜或AlN薄膜的厚度为10?30nm，金属顶电极3的厚度为300?500nm，金属底电极2和金属顶电极3的材料均采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag ο
[0031]本发明还公开了一种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器的制备方法，包括以下步骤:
[0032]I)在石英衬底、PET衬底或硅片衬底上，用离子束蒸发法沉积一层厚度为300?500nm的金属底电极；
[0033]2)利用磁控溅射技术在金属底电极上沉积一层厚度为10?30nm的AlOxNy薄膜或AlN薄膜;在磁控溅射镀膜机的相应腔室中，通入体积比为45: 15SCCm的氩气和氮气的混合气体，设定真空度10?6Torr，镀膜稳定气压0.5?IPa;靶材选用纯度为99.99 %的铝靶。
[0034]3)在AlOxNy薄膜或AlN薄膜上利用离子束蒸发法和掩模版沉积一层厚度为500nm的金属顶电极。
[0035]如图2所示，在1-V测试中，随着电压的增加，忆阻器经历了遗忘以及记忆阶段。不同的阻值代表不同的记忆阶段。初始时，器件位于低阻值状态类似于前期的记忆阶段，随着扫描电压的增加，器件从低阻值向高阻值转变，前期存储的信息遗失类似于人类的“遗忘”功能；当扫描电压继续增加，阻值逐步降低，其过程类似于信息写入，即“学习”的过程。在这一过程中，器件可以达到不同的阻值A，B，C对应不同的记忆阶段。
[0036]如图3所示，在V-1测试中也可找到对应的忆阻器随着测量电流的增加处于不同的阻值状态，即器件可以根据施加电流的不同而改变自身阻值并对应不同的记忆阶段。
[0037]如图4所示，在脉冲测试中，随着脉冲电压的增加阻值减小，忆阻器阻值也发生变化即对应了不同的记忆阶段，这一阻值随脉冲电压变化而减小过程称为自学过程。
[0038]如图5所示，该阻变存储器稳定性好，无论在低温或者100°C高温时都可保持各阻态不变，可见其阻态的保持和改变并非是一个完全随机的过程，而是可控的。
[0039]如图6所示，在不同温度下测试器件的failure time，从图中所示器件可以在85°C下稳定运行30年，已完全满足工业要求。
[0040]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器，其特征在于，包括衬底(I)，衬底(I)上依次设置金属底电极(2)和金属顶电极(3)，金属底电极(2)和金属顶电极(3)之间设置有源层。2.根据权利要求1所述的具有自学功能的铝基薄膜忆阻器，其特征在于，所述衬底(I)为石英衬底、PET衬底或硅片衬底。3.根据权利要求1或2所述的具有自学功能的铝基薄膜忆阻器，其特征在于，所述金属底电极(2)的厚度为300?500nmo4.根据权利要求3所述的具有自学功能的铝基薄膜忆阻器，其特征在于，所述金属底电极(2)的材料采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。5.根据权利要求1或2所述的具有自学功能的铝基薄膜忆阻器，其特征在于，所述有源层为沉积在金属底电极(2)上的AlOxNy薄膜或AlN薄膜，AlOxNy薄膜或AlN薄膜的厚度为10?30]1111，其中叉:7为(0.5?2):1。6.根据权利要求1或2所述的具有自学功能的铝基薄膜忆阻器，其特征在于，所述金属顶电极(3)的厚度为300?500nmo7.根据权利要求6所述的具有自学功能的铝基薄膜忆阻器，其特征在于，所述金属顶电极(3)的材料采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。8.一种具有自学功能的铝基薄膜忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)在石英衬底、PET衬底或硅片衬底上，用离子束蒸发法沉积一层厚度为300?500nm的金属底电极； 2)利用磁控溅射技术在金属底电极上沉积一层厚度为10?30nm的AlOxNy薄膜或AlN薄膜； 3)在AlOxNy薄膜或AlN薄膜上利用离子束蒸发法和掩模版沉积一层厚度为500nm的金属顶电极。9.根据权利要求8所述的具有自学功能的铝基薄膜忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤I)和3)中，金属底电极(I)和金属顶电极(3)的材料均采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。10.根据权利要求8所述的具有自学功能的铝基薄膜忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，在磁控溅射镀膜机的相应腔室中，通入体积比为45:15sCCm的氩气和氮气的混合气体，设定真空度10?6Torr，镀膜稳定气压0.5?IPa;靶材选用纯度为99.99%的铝靶。
【文档编号】H01L45/00GK105870322SQ201610256599
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】朱玮, 李 杰
【申请人】长安大学