一種新型貼片式憶容器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件領(lǐng)域，具體是通過(guò)電壓調(diào)控硅襯底上的金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)而實(shí)現(xiàn)非易失性電容開(kāi)關(guān)比例超過(guò)1000倍的新型貼片式憶容器。
【背景技術(shù)】
[0002]憶容器是指在某種外界激勵(lì)下電容發(fā)生非揮發(fā)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(chǔ)、可重構(gòu)輸電線路，又可在人工智能中用于模擬學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自發(fā)行為?，F(xiàn)有的憶容器技術(shù)主要是通過(guò)某種裝置來(lái)改變電容器結(jié)構(gòu)而得到電容的非揮發(fā)性改變，例如通過(guò)改變平行板電容器兩個(gè)極板間的距離或者改變極板截面積等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的憶容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、電容可調(diào)節(jié)范圍小、控制不方便，難以在集成電路或一些精密設(shè)備中使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的是通過(guò)基于硅襯底上的金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)提供一種具有電容開(kāi)關(guān)比超過(guò)1000倍的新型貼片式憶容器及其制備方法。
[0004]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的第一種技術(shù)方案為一種新型貼片式憶容器，包括自下至上依次設(shè)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(fā)明采用的第二種技術(shù)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(fā)明器件性能好，穩(wěn)定性強(qiáng)。器件的高/低電容比值高達(dá)1000倍，響應(yīng)時(shí)間小于10ns，循環(huán)次數(shù)超過(guò)18次。同時(shí)具備較高電阻開(kāi)關(guān)比值的憶阻行為。(2)本發(fā)明器件采用金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)三明治結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備方便、體積小，適合三維堆垛結(jié)構(gòu)中，具有高集成度的特點(diǎn)。(3)本發(fā)明器件操作簡(jiǎn)單，制備好后無(wú)需經(jīng)過(guò)任何處理就可通過(guò)施加脈沖電壓實(shí)現(xiàn)器件功能。(4)本發(fā)明器件功能多，應(yīng)用范圍廣，不僅可以應(yīng)用于非易失性存儲(chǔ)器中，還可在人工智能領(lǐng)域中用于模擬學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自發(fā)行為。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明的器件的構(gòu)造和電極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明的器件的電容-脈沖電壓(Vwrite)回線圖，電容值是在相應(yīng)Vwrite脈沖結(jié)束后再用頻率IkHz振幅0.1V的交流信號(hào)測(cè)得的；
[0013]圖3是本發(fā)明的器件的電阻-Vwrite回線圖；電阻值是在相應(yīng)Vwrite脈沖結(jié)束后再用固定直流偏壓(0.5V)測(cè)得的；
[0014]圖4是本發(fā)明的器件的高電阻態(tài)和低電阻態(tài)的時(shí)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(kāi)”和“關(guān)”行為；
[0016]圖6是本發(fā)明的器件在經(jīng)過(guò)18次循環(huán)開(kāi)關(guān)后的開(kāi)關(guān)特性圖；
[0017]圖7是本發(fā)明的器件的等效并聯(lián)電容與并聯(lián)電阻隨直流偏壓的關(guān)系圖；
[0018]圖8是電流絕對(duì)值與直流偏壓的關(guān)系圖；
[0019]圖9是當(dāng)器件分別處于HRS和LRS狀態(tài)下時(shí)的電流-偏壓特性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0021]目前，不管下一代的存儲(chǔ)器還是未來(lái)的人工智能技術(shù)，除了要求憶容器要有高性能、高響應(yīng)速度和高穩(wěn)定性外，還需要可三維堆垛、可集成。因此，發(fā)明一種高可調(diào)范圍的貼片式憶容器，既能在多種應(yīng)用場(chǎng)合中滿足性能方面的要求，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)三位堆垛，并能方便于高密度集成，具有非常巨大的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。
[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(fā)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(zhǎng)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(nèi)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(diào)節(jié)到10—5Pa至102Pa，隨后調(diào)節(jié)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(guò)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(guò)50nm。
[0028](d)離子濺射儀制備金屬-1I薄膜:腔內(nèi)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(fā)明的器件的兩個(gè)電極分別由金屬-1I和金屬-1I薄膜引出。
[0030]3)本發(fā)明的器件電阻電容開(kāi)關(guān)的操作與讀取。施加正的或者負(fù)的電壓脈沖到器件的兩個(gè)電極即可對(duì)器件的電阻態(tài)和電容態(tài)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，然后再用一個(gè)固定大小的小電壓讀取器件的電阻態(tài)。若要