一種具有自學(xué)功能的鋁基薄膜憶阻器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有自學(xué)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(dāng)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(tài)，能夠?qū)?yīng)不同的記憶階段。而當(dāng)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(tài)上基本保持不變，從而顯示出自學(xué)功能。本發(fā)明具備穩(wěn)定的自學(xué)功能，可在85oC下穩(wěn)定運行30年已滿足當(dāng)前工業(yè)需求。
【專利說明】
一種具有自學(xué)功能的鋁基薄膜憶阻器及其制備方法【
技術(shù)領(lǐng)域
】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種具有自學(xué)功能的鋁基薄膜憶阻器及其制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]自學(xué)功能的體現(xiàn)在于該器件可隨著施加電壓的變化而實現(xiàn)對應(yīng)的阻值變化。這一功能的實現(xiàn)對于憶阻器模擬人類神經(jīng)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(xué)家蔡少棠，當(dāng)時任教于美國的柏克萊大學(xué)。時間是1971年，在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間的關(guān)系時，任教于加州大學(xué)伯克利分校的蔡教授推斷在電阻、電容和電感器之外，應(yīng)該還有一種組件，代表著電荷與磁通量之間的關(guān)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(xiàn)存儲數(shù)據(jù)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(dāng)于一枚CPU芯片中十幾個晶體管共同產(chǎn)生的效用。研究人員稱，憶阻器可讓手機在使用數(shù)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(zhàn)數(shù)碼設(shè)備中普遍使用的閃存，因為它具有關(guān)閉電源后仍可以保存信息的能力。利用這項新發(fā)現(xiàn)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(fā)明內(nèi)容】
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[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種具有自學(xué)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(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0005]—種具有自學(xué)功能的鋁基薄膜憶阻器，包括襯底，襯底上依次設(shè)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(shè)置有源層。
[0006]本發(fā)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(xué)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(fā)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(shù)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(fā)法和掩模版沉積一層厚度為500nm的金屬頂電極。
[0017]本發(fā)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(yīng)腔室中，通入體積比為45:15sCCm的氬氣和氮氣的混合氣體，設(shè)定真空度10?6Torr，鍍膜穩(wěn)定氣壓0.5?IPa ;革E材選用純度為99.99%的鋁靶。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]本發(fā)明在硅片或其他襯底(石英，塑料)上依次沉積金屬底電極，當(dāng)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(tài)，能夠?qū)?yīng)不同的記憶階段。而當(dāng)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(tài)上基本保持不變，從而顯示出自學(xué)功能。本發(fā)明具備穩(wěn)定的自學(xué)功能，可在85°C下穩(wěn)定運行30年已滿足當(dāng)前工業(yè)需求。
【【附圖說明】】
[0022]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明在1-V測試中呈現(xiàn)多阻值特性圖；
[0024]圖3為本發(fā)明在V-1測試中呈現(xiàn)多阻值特性圖；
[0025]圖4為本發(fā)明在脈沖電壓激勵下從高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)換圖；
[0026]圖5為本發(fā)明在室溫和高溫下完成超過100次循環(huán)的阻值穩(wěn)定性測試圖；
[0027]圖6為本發(fā)明在高溫狀態(tài)下長期保持阻值穩(wěn)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(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述:
[0030]參見圖1，本發(fā)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(fā)明還公開了一種具有自學(xué)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(fā)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(shù)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(yīng)腔室中，通入體積比為45: 15SCCm的氬氣和氮氣的混合氣體，設(shè)定真空度10?6Torr，鍍膜穩(wěn)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(fā)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(jīng)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(tài)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(zhuǎn)變，前期存儲的信息遺失類似于人類的“遺忘”功能；當(dāng)掃描電壓繼續(xù)增加，阻值逐步降低，其過程類似于信息寫入，即“學(xué)習(xí)”的過程。在這一過程中，器件可以達到不同的阻值A(chǔ)，B，C對應(yīng)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(yīng)的憶阻器隨著測量電流的增加處于不同的阻值狀態(tài)，即器件可以根據(jù)施加電流的不同而改變自身阻值并對應(yīng)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(fā)生變化即對應(yīng)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(xué)過程。
[0038]如圖5所示，該阻變存儲器穩(wěn)定性好，無論在低溫或者100°C高溫時都可保持各阻態(tài)不變，可見其阻態(tài)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(wěn)定運行30年，已完全滿足工業(yè)要求。
[0040]以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種具有自學(xué)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(shè)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(shè)置有源層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自學(xué)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(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有自學(xué)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(jù)權(quán)利要求3所述的具有自學(xué)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(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有自學(xué)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(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有自學(xué)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(jù)權(quán)利要求6所述的具有自學(xué)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(xué)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(fā)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(shù)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(fā)法和掩模版沉積一層厚度為500nm的金屬頂電極。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有自學(xué)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(jù)權(quán)利要求8所述的具有自學(xué)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(yīng)腔室中，通入體積比為45:15sCCm的氬氣和氮氣的混合氣體，設(shè)定真空度10?6Torr，鍍膜穩(wěn)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(fā)明人】朱瑋, 李 杰
【申請人】長安大學(xué)