一種新型貼片式憶容器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微電子器件領域，具體是通過電壓調控硅襯底上的金屬/氧化物異質結而實現非易失性電容開關比例超過1000倍的新型貼片式憶容器。
【背景技術】
[0002]憶容器是指在某種外界激勵下電容發生非揮發性改變的電子器件。這種器件的用途非常廣泛，既可用于信息存儲、可重構輸電線路，又可在人工智能中用于模擬學習、自適應和自發行為。現有的憶容器技術主要是通過某種裝置來改變電容器結構而得到電容的非揮發性改變，例如通過改變平行板電容器兩個極板間的距離或者改變極板截面積等方式來實現。這樣的憶容器結構復雜、體積大、電容可調節范圍小、控制不方便，難以在集成電路或一些精密設備中使用。
【發明內容】
[0003]發明目的:針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是通過基于硅襯底上的金屬/氧化物異質結結構提供一種具有電容開關比超過1000倍的新型貼片式憶容器及其制備方法。
[0004]技術方案:為實現上述發明目的，本發明采用的第一種技術方案為一種新型貼片式憶容器，包括自下至上依次設置的硅襯底、第一金屬薄膜、第一氧化物薄膜、第二氧化物薄膜和第二金屬薄膜，其中，所述第一金屬包括Au、Cu、Pt、Ag、Co中的一種，所述第一氧化物包括T12、Hf 02、TaO2、SrTi PxNbx03中的一種，0〈x〈0.01，所述第二氧化物為ABO3型鈣鈦礦氧化物，其中，A為Dy、Gd、Tm、Lu、Tb中的一種或多種金屬離子，B為Fe或Mn，第二金屬為Au或Pt;在所述第一金屬薄膜和第二金屬薄膜上引出電極。
[0005]本發明采用的第二種技術方案為一種制備如上所述新型貼片式憶容器的方法，包括如下步驟:
[0006](I)采用磁控濺射法在硅襯底上制備第一金屬薄膜；
[0007](2)在所述第一金屬薄膜上脈沖激光沉積制備第一氧化物薄膜；
[0008](3)在所述第一氧化物薄膜上采用磁控濺射法制備第二氧化物薄膜；
[0009](4)在所述第二氧化物薄膜上采用離子濺射儀制備第二金屬薄膜。
[0010]有益效果:(I)本發明器件性能好，穩定性強。器件的高/低電容比值高達1000倍，響應時間小于10ns，循環次數超過18次。同時具備較高電阻開關比值的憶阻行為。(2)本發明器件采用金屬/氧化物異質結三明治結構，結構簡單、制備方便、體積小，適合三維堆垛結構中，具有高集成度的特點。(3)本發明器件操作簡單，制備好后無需經過任何處理就可通過施加脈沖電壓實現器件功能。(4)本發明器件功能多，應用范圍廣，不僅可以應用于非易失性存儲器中，還可在人工智能領域中用于模擬學習、自適應和自發行為。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明的器件的構造和電極結構示意圖；
[0012]圖2是本發明的器件的電容-脈沖電壓(Vwrite)回線圖，電容值是在相應Vwrite脈沖結束后再用頻率IkHz振幅0.1V的交流信號測得的；
[0013]圖3是本發明的器件的電阻-Vwrite回線圖；電阻值是在相應Vwrite脈沖結束后再用固定直流偏壓(0.5V)測得的；
[0014]圖4是本發明的器件的高電阻態和低電阻態的時間特性圖；
[0015]圖5是在半高寬8ns振幅9.6V的脈沖電壓操作下器件的“開”和“關”行為；
[0016]圖6是本發明的器件在經過18次循環開關后的開關特性圖；
[0017]圖7是本發明的器件的等效并聯電容與并聯電阻隨直流偏壓的關系圖；
[0018]圖8是電流絕對值與直流偏壓的關系圖；
[0019]圖9是當器件分別處于HRS和LRS狀態下時的電流-偏壓特性圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0021]目前，不管下一代的存儲器還是未來的人工智能技術，除了要求憶容器要有高性能、高響應速度和高穩定性外，還需要可三維堆垛、可集成。因此，發明一種高可調范圍的貼片式憶容器，既能在多種應用場合中滿足性能方面的要求，同時又能實現三位堆垛，并能方便于高密度集成，具有非常巨大的應用前景和市場。
[0022]具體的，在硅襯底上采用磁控濺射法、脈沖激光沉積和離子濺射儀依次制備金屬-1、氧化物-A和氧化物-B、金屬-1I等薄膜，然后在金屬-1和金屬-1I層引出電極制成本發明的器件，如圖1所示。
[0023 ] I)材料選擇:氧化物-A 選用 T i O2、HfO2、TaO2、SrT i 1-xNbx03 (0〈χ〈0.01)中的一種。氧化物-B采用ABO3型鈣鈦礦氧化物，其中，A為Dy、Gd、Tm、Lu、Tb中的一種或多種金屬離子，B為Fe或Mn。金屬-1選用Au、Cu、Pt、Ag、Co等金屬中的一種;金屬-1I用Au或Pt。
[0024]2)薄膜的具體生長工藝如下:
[0025](a)磁控濺射法制備金屬-1薄膜:選用表面光滑的硅襯底(粗糙度小于5nm)，腔內真空度10—5Pa,硅襯底溫度100°C至300°C，金屬-1薄膜的粗糙度小于5nm，厚度約100-500nm。
[0026](b)脈沖激光沉積制備氧化物-A薄膜:沉積前把硅襯底的溫度升至500°C至700°C，氧分壓調節到10—5Pa至102Pa，隨后調節激光器能量為100?300mJ，頻率在I?5Hz;氧化物-A/金屬-1界面的起伏度不超過5nm。
[0027](c)磁控濺射法制備氧化物-B薄膜:硅襯底溫度為400 °C至700 V，氣壓:0.0I?50Pa，O2氣氛下，濺射功率為100W-1500W，沉積完畢后在600 °C至700 °C間退火10-30分鐘，厚度約200-1000nm。氧化物-B薄膜的顆粒大小超過50nm。
[0028](d)離子濺射儀制備金屬-1I薄膜:腔內真空度10Pa，濺射電流4?6mA，濺射3?5次，每次濺射2分鐘。氧化物-B薄膜金屬-1I薄膜是歐姆接觸。
[0029](e)本發明的器件的兩個電極分別由金屬-1I和金屬-1I薄膜引出。
[0030]3)本發明的器件電阻電容開關的操作與讀取。施加正的或者負的電壓脈沖到器件的兩個電極即可對器件的電阻態和電容態進行開關操作，然后再用一個固定大小的小電壓讀取器件的電阻態。若要