一種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器及其制備方法,在硅片或其他襯底(石英,塑料)上依次沉積金屬底電極,當進行I?V或V?I掃描測試時,該憶阻器顯示出不同的阻值狀態,能夠對應不同的記憶階段。而當進行脈沖電壓測試時,該憶阻器的阻值隨脈沖電壓的增加而逐步減小并在特定的阻態上基本保持不變,從而顯示出自學功能。本發明具備穩定的自學功能,可在85oC下穩定運行30年已滿足當前工業需求。
【專利說明】
一種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器及其制備方法【
技術領域
】
[0001]本發明屬于半導體器件領域,具體涉及一種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器及其制備方法。
【【背景技術】】
[0002]自學功能的體現在于該器件可隨著施加電壓的變化而實現對應的阻值變化。這一功能的實現對于憶阻器模擬人類神經突觸功能的研究工作具有重要意義。最早提出憶阻器概念的人,是華裔的科學家蔡少棠,當時任教于美國的柏克萊大學。時間是1971年,在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間的關系時,任教于加州大學伯克利分校的蔡教授推斷在電阻、電容和電感器之外,應該還有一種組件,代表著電荷與磁通量之間的關系。這種組件的效果,就是它的電阻會隨著通過的電流量而改變,而且就算電流停止了,它的電阻仍然會停留在之前的值,直到接受到反向的電流它才會被推回去。憶阻器是一種有記憶功能的非線性電阻。通過控制電流的變化可改變其阻值,如果把高阻值定義為“I”,低阻值定義為“O”,則這種電阻就可以實現存儲數據的功能。實際上就是一個有記憶功能的非線性電阻器。由于憶阻器尺寸小、能耗低,所以能很好地儲存和處理信息。一個憶阻器的工作量,相當于一枚CPU芯片中十幾個晶體管共同產生的效用。研究人員稱,憶阻器可讓手機在使用數周或更久時間后無需充電,也可使筆記本電腦在電池電量耗盡后很久仍能保存信息。憶阻器也有望挑戰數碼設備中普遍使用的閃存,因為它具有關閉電源后仍可以保存信息的能力。利用這項新發現制成的芯片,將比閃存更快地保存信息,消耗更少的電力,占用更少的空間。
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【發明內容】
】
[0003]本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點,提供一種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器及其制備方法。
[0004]為達到上述目的,本發明采用以下技術方案予以實現:
[0005]—種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器,包括襯底,襯底上依次設置金屬底電極和金屬頂電極,金屬底電極和金屬頂電極之間設置有源層。
[0006]本發明進一步的改進在于:
[0007]所述襯底為石英襯底、PET襯底或硅片襯底。
[0008]所述金屬底電極的厚度為300?500nm。
[0009]所述金屬底電極的材料采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。
[0010]所述有源層為沉積在金屬底電極上的AlOxNy薄膜或AlN薄膜,AlOxNy薄膜或AlN薄膜的厚度為10?30歷,其中1:7為(0.5?2):10
[00??] 所述金屬頂電極的厚度為300?500nmo
[0012]所述金屬頂電極的材料采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。
[0013]—種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器的制備方法,包括以下步驟:
[0014]I)在石英襯底、PET襯底或硅片襯底上,用離子束蒸發法沉積一層厚度為300?500nm的金屬底電極;
[0015]2)利用磁控濺射技術在金屬底電極上沉積一層厚度為10?30nm的AlOxNy薄膜或AlN薄膜;
[0016]3)在AlOxNy薄膜或AlN薄膜上利用離子束蒸發法和掩模版沉積一層厚度為500nm的金屬頂電極。
[0017]本發明進一步的改進在于:
[0018]所述步驟I)和3)中,金屬底電極和金屬頂電極的材料均采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。
[0019]所述步驟2)中,在磁控濺射鍍膜機的相應腔室中,通入體積比為45:15sCCm的氬氣和氮氣的混合氣體,設定真空度10?6Torr,鍍膜穩定氣壓0.5?IPa ;革E材選用純度為99.99%的鋁靶。
[0020]與現有技術相比,本發明具有以下有益效果:
[0021]本發明在硅片或其他襯底(石英,塑料)上依次沉積金屬底電極,當進行1-V或V-1掃描測試時,該憶阻器顯示出不同的阻值狀態,能夠對應不同的記憶階段。而當進行脈沖電壓測試時,該憶阻器的阻值隨脈沖電壓的增加而逐步減小并在特定的阻態上基本保持不變,從而顯示出自學功能。本發明具備穩定的自學功能,可在85°C下穩定運行30年已滿足當前工業需求。
【【附圖說明】】
[0022]圖1為本發明的整體結構示意圖;
[0023]圖2為本發明在1-V測試中呈現多阻值特性圖;
[0024]圖3為本發明在V-1測試中呈現多阻值特性圖;
[0025]圖4為本發明在脈沖電壓激勵下從高阻態向低阻態轉換圖;
[0026]圖5為本發明在室溫和高溫下完成超過100次循環的阻值穩定性測試圖;
[0027]圖6為本發明在高溫狀態下長期保持阻值穩定性的測試圖。
[0028]其中:1_襯底;2-金屬底電極;3-金屬頂電極。
【【具體實施方式】】
[0029]下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述:
[0030]參見圖1,本發明包括襯底I,襯底I為石英襯底、PET襯底或硅片襯底。襯底I上沉積金屬底電極2,金屬底電極2上沉積AlOxNy薄膜或AlN薄膜,AlOxNy薄膜或AlN薄膜上沉積金屬頂電極3。金屬底電極2的厚度為300?500nm,A10xNy薄膜或AlN薄膜的厚度為10?30nm,金屬頂電極3的厚度為300?500nm,金屬底電極2和金屬頂電極3的材料均采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag ο
[0031]本發明還公開了一種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器的制備方法,包括以下步驟:
[0032]I)在石英襯底、PET襯底或硅片襯底上,用離子束蒸發法沉積一層厚度為300?500nm的金屬底電極;
[0033]2)利用磁控濺射技術在金屬底電極上沉積一層厚度為10?30nm的AlOxNy薄膜或AlN薄膜;在磁控濺射鍍膜機的相應腔室中,通入體積比為45: 15SCCm的氬氣和氮氣的混合氣體,設定真空度10?6Torr,鍍膜穩定氣壓0.5?IPa;靶材選用純度為99.99 %的鋁靶。
[0034]3)在AlOxNy薄膜或AlN薄膜上利用離子束蒸發法和掩模版沉積一層厚度為500nm的金屬頂電極。
[0035]如圖2所示,在1-V測試中,隨著電壓的增加,憶阻器經歷了遺忘以及記憶階段。不同的阻值代表不同的記憶階段。初始時,器件位于低阻值狀態類似于前期的記憶階段,隨著掃描電壓的增加,器件從低阻值向高阻值轉變,前期存儲的信息遺失類似于人類的“遺忘”功能;當掃描電壓繼續增加,阻值逐步降低,其過程類似于信息寫入,即“學習”的過程。在這一過程中,器件可以達到不同的阻值A,B,C對應不同的記憶階段。
[0036]如圖3所示,在V-1測試中也可找到對應的憶阻器隨著測量電流的增加處于不同的阻值狀態,即器件可以根據施加電流的不同而改變自身阻值并對應不同的記憶階段。
[0037]如圖4所示,在脈沖測試中,隨著脈沖電壓的增加阻值減小,憶阻器阻值也發生變化即對應了不同的記憶階段,這一阻值隨脈沖電壓變化而減小過程稱為自學過程。
[0038]如圖5所示,該阻變存儲器穩定性好,無論在低溫或者100°C高溫時都可保持各阻態不變,可見其阻態的保持和改變并非是一個完全隨機的過程,而是可控的。
[0039]如圖6所示,在不同溫度下測試器件的failure time,從圖中所示器件可以在85°C下穩定運行30年,已完全滿足工業要求。
[0040]以上內容僅為說明本發明的技術思想,不能以此限定本發明的保護范圍,凡是按照本發明提出的技術思想,在技術方案基礎上所做的任何改動,均落入本發明權利要求書的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器,其特征在于,包括襯底(I),襯底(I)上依次設置金屬底電極(2)和金屬頂電極(3),金屬底電極(2)和金屬頂電極(3)之間設置有源層。2.根據權利要求1所述的具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器,其特征在于,所述襯底(I)為石英襯底、PET襯底或硅片襯底。3.根據權利要求1或2所述的具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器,其特征在于,所述金屬底電極(2)的厚度為300?500nmo4.根據權利要求3所述的具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器,其特征在于,所述金屬底電極(2)的材料采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。5.根據權利要求1或2所述的具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器,其特征在于,所述有源層為沉積在金屬底電極(2)上的AlOxNy薄膜或AlN薄膜,AlOxNy薄膜或AlN薄膜的厚度為10?30]1111,其中叉:7為(0.5?2):1。6.根據權利要求1或2所述的具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器,其特征在于,所述金屬頂電極(3)的厚度為300?500nmo7.根據權利要求6所述的具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器,其特征在于,所述金屬頂電極(3)的材料采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。8.一種具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器的制備方法,其特征在于,包括以下步驟: 1)在石英襯底、PET襯底或硅片襯底上,用離子束蒸發法沉積一層厚度為300?500nm的金屬底電極; 2)利用磁控濺射技術在金屬底電極上沉積一層厚度為10?30nm的AlOxNy薄膜或AlN薄膜; 3)在AlOxNy薄膜或AlN薄膜上利用離子束蒸發法和掩模版沉積一層厚度為500nm的金屬頂電極。9.根據權利要求8所述的具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器的制備方法,其特征在于,所述步驟I)和3)中,金屬底電極(I)和金屬頂電極(3)的材料均采用T1、Al、Cu、T1、Ni或Ag。10.根據權利要求8所述的具有自學功能的鋁基薄膜憶阻器的制備方法,其特征在于,所述步驟2)中,在磁控濺射鍍膜機的相應腔室中,通入體積比為45:15sCCm的氬氣和氮氣的混合氣體,設定真空度10?6Torr,鍍膜穩定氣壓0.5?IPa;靶材選用純度為99.99%的鋁靶。
【文檔編號】H01L45/00GK105870322SQ201610256599
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月22日
【發明人】朱瑋, 李 杰
【申請人】長安大學