CN107425116A - 基于缓冲层的阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于缓冲层的阻变存储器及其制备方法，该方法包括：在Si衬底表面热氧化SiO2层形成的半绝缘衬底；在半绝缘衬底表面依次连续生长粘附层、底电极和第一缓冲层；利用旋涂工艺在第一缓冲层表面生长CH3NH3PbI3薄膜；在CH3NH3PbI3薄膜表面生长第二缓冲层；在第二缓冲层表面生长点状顶电极，最终形成缓冲层的阻变存储器。本发明在CH3NH3PbI3薄膜与上下电极之间插入缓冲层，可以形成肖特基势垒，显著的降低阻变层和电极之间的漏电流。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于缓冲层的阻变存储器及其制备方法。
背景技术
半导体集成电路是电子工业的基础，人们对电子工业的巨大需求，促使了该领域的迅速发展。在过去的几十年中，电子工业的迅猛发展对社会发展及国民经济都产生了巨大的影响。随着集成电路工艺的发展，微电子芯片的集成度和性能遵循摩尔定律都在不断地提高，集成电路工艺不断地接近其物理极限，而随着信息时代的不断进步，对信息的存储需求将变得越来越巨大，传统的Flash存储器已经走向其极限，随着隧穿氧化层厚度越来越小，电荷的泄露变得越来越严重，直接影响到Flash存储器的存储性能。这些都极大地要求下一代新型存储器的发展。
阻变存储器RRAM(Resistance Random Access Memory)利用薄膜材料在外加电压条件下薄膜电阻在不同的电阻状态(高阻态和低阻态)之间的相互转换来实现数据的存储。基本的RRAM由简单的三明治结构，即金属/阻变层/金属(MIM)构成，由于其具有快速读写、非易失、低功耗、及可实现高密度存储等特点，由于其是非电荷存储机制，因此可以解决Flash中因为隧穿氧化层变薄而造成的电荷泄露问题，被认为最有可能在32nm以下取代现有的传统Flash存储器，是一类可行性高，具有较高的竞争力和巨大的应用前景。
作为阻变存储器的核心，阻变材料对阻变存储器的性能具有极大的影响。目前研究的阻变材料种类繁多，主要包括钙钛矿类氧化物、氮化物、有机材料、固态电解质材料、过渡金属氧化物等。这些阻变材料虽然在特定制备工艺下都可具有较好的阻变特性，但是制备工艺过程中工艺比较复杂，常用的高温处理，增加了能耗，并给实际应用带来困难。这些都难以满足高存储密度，高读写速度，和低能耗非易失存储器的要求。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于缓冲层的阻变存储器及其制备方法。
具体地，本发明一个实施例提出的一种基于缓冲层的阻变存储器的制备方法，包括：
在Si衬底表面热氧化SiO2层形成的半绝缘衬底；
在所述半绝缘衬底表面依次连续生长粘附层、底电极和第一缓冲层；
利用旋涂工艺在所述第一缓冲层表面生长CH3NH3PbI3薄膜；
在所述CH3NH3PbI3薄膜表面生长第二缓冲层；
在所述第二缓冲层表面生长点状顶电极，最终形成所述基于缓冲层的阻变存储器。
在本发明的一个实施例中，在所述Si衬底表面连续生长粘附层、底电极和第一缓冲层，包括：
利用磁控溅射工艺，溅射功率为50W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述Si衬底表面生长Ti粘附层；
利用磁控溅射工艺，溅射功率为80-100W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述Ti粘附层表面生长Pt底电极；
利用磁控溅射工艺，溅射功率为40-60W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述Pt底电极表面生长所述第一缓冲层。
在本发明的一个实施例中，所述第一缓冲层为Y2O3薄膜。。
在本发明的一个实施例中，所述Ti粘附层的厚度为20nm-30nm，所述Pt底电极的厚度为200nm-300nm，所述Y2O3薄膜的厚度为5-10nm。
在本发明的一个实施例中，利用旋涂工艺在所述第一缓冲层表面生长CH3NH3PbI3薄膜，包括：
将654mg的PbI2和217mg的CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI2和CH3NH3I的混合溶液；
将所述混合溶液在80摄氏度下搅拌两小时，将搅拌后的所述混合溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液；
将所述CH3NH3PbI3溶液滴加到所述第一缓冲层上进行旋涂；
在100摄氏度下退火30min，形成所述CH3NH3PbI3薄膜。
在本发明的一个实施例中，在所述CH3NH3PbI3薄膜表面生长第二缓冲层，包括：
利用磁控溅射工艺，溅射功率为40-60W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述CH3NH3PbI3薄膜表面生长所述第二缓冲层。
在本发明的一个实施例中，所述第二缓冲层为厚度为5-10nm的Y2O3薄膜。
在本发明的一个实施例中，在所述第二缓冲层表面生长点状顶电极，包括：
利用磁控溅射工艺和物理掩膜版，溅射功率为80W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述第二缓冲层表面生长Pt点状顶电极。
在本发明的一个实施例中，所述Pt点状顶电极厚度为200nm-300nm，直径为100nm。
本发明再一个实施例提出的一种基于缓冲层的阻变存储器，包括：半绝缘衬底、粘附层、底电极、第一缓冲层、阻变层、第二缓冲层和顶电极；其中，所述基于缓冲层的阻变存储器由上述实施例所述的方法制备形成。
基于此，本发明具备如下优点：
1、本发明的阻变存储器以CH3NH3PbI3薄膜材料作为阻变层，相比于传统阻变材料，CH3NH3PbI3薄膜材料具有易于制备，成本低廉等优点，对实现基于该材料的商业化阻变存储器具有现实意义；
2、本发明提供的基于CH3NH3PbI3薄膜为阻变层的阻变存储器的制备方法，不涉及任何高温工艺，完全在低温下就可以实现，降低了能耗，节约了时间和成本，而且与传统的CMOS工艺完全兼容；
3、最重要的，本发明在CH3NH3PbI3薄膜与上下电极之间插入缓冲层，可以形成肖特基势垒，显著的降低阻变层和电极之间的漏电流。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种基于缓冲层的阻变存储器的制备方法示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于缓冲层的阻变存储器的器件示意图；
图3a～图3g为本发明实施例提供的一种基于缓冲层的阻变存储器的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于缓冲层的阻变存储器的制备方法示意图。该方法包括如下步骤：
步骤a、在Si衬底表面热氧化SiO2层形成的半绝缘衬底；
步骤b、在所述半绝缘衬底表面依次连续生长Ti粘附层、Pt底电极和第一缓冲层；
步骤c、利用旋涂工艺在所述第一缓冲层表面生长CH3NH3PbI3薄膜；
步骤d、在所述CH3NH3PbI3薄膜表面生长第二缓冲层；
步骤e、在所述第二缓冲层表面生长Pt点状顶电极，最终形成所述基于缓冲层的阻变存储器。
其中，步骤b可以包括：
步骤b1、利用磁控溅射工艺，溅射功率为50W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述半绝缘衬底表面生长Ti粘附层；
步骤b2、利用磁控溅射工艺，溅射功率为80-100W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述Ti粘附层表面生长Pt底电极；
步骤b3、利用磁控溅射工艺，溅射功率为40-60W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述Pt底电极表面生长所述第一缓冲层。
进一步地，步骤b中所述第一缓冲层为Y2O3薄膜。
进一步地，步骤b中所述Ti粘附层的厚度为20nm-30nm，所述Pt底电极的厚度为200nm-300nm，所述Y2O3薄膜的厚度为5-10nm。
其中，步骤c可以包括：
步骤c1、将654mg的PbI2和217mg的CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI2和CH3NH3I的混合溶液；
步骤c2、将所述PbI2和CH3NH3I的混合溶液在80摄氏度下搅拌两小时，将搅拌后的所述混合溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液；
步骤c3、将所述CH3NH3PbI3溶液滴加到所述第一缓冲层上进行旋涂；
步骤c4、在100摄氏度下退火30min，形成所述CH3NH3PbI3薄膜。
其中，步骤d可以包括：
采用磁控溅射工艺，溅射功率为40-60W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述CH3NH3PbI3薄膜表面生长所述第二缓冲层。
进一步地，步骤d中所述第二缓冲层为厚度为5-10nm的Y2O3薄膜。
其中，步骤e可以包括：
利用磁控溅射工艺和物理掩膜版，溅射功率为80W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述第二缓冲层表面生长Pt点状顶电极。
进一步地，步骤e中所述Pt点状顶电极厚度为200nm-300nm，直径为100nm。
本发明的有益效果为：
本发明中的第一和第二缓冲层一般为高K材料或其他金属氧化物，引入所述缓冲层可以在金属电极和有机无机杂化钙钛矿阻变层之间形成肖特基势垒，从而有效降低漏电流，本发明中的阻变层采用CH3NH3PbI3材料，相比于传统阻变材料具有易于制备，成本低廉等优点，对实现基于该材料的商业化阻变存储器具有现实意义；本发明提供的基于CH3NH3PbI3材料的阻变存储器及其制备方法，不涉及任何高温工艺，完全在低温下就可以实现，降低了能耗，节约了时间和成本，而且与传统的CMOS工艺完全兼容。
实施例二
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于缓冲层的阻变存储器的器件示意图。该基于缓冲层的阻变存储器包括：半绝缘衬底21、粘附层203、底电极204、第一缓冲层205、阻变层206、第二缓冲层207、和顶电极208；其中，半绝缘衬底由Si衬底201和Si衬底表面热氧化形成的SiO2202组成，所述基于缓冲层的阻变存储器由上述实施例所述的方法制备形成。
优选地，底电极为Pt底电极，第一缓冲层为Y2O3薄膜，阻变层为CH3NH3PbI3薄膜，第二缓冲层为Y2O3薄膜，顶电极为Pt点状顶电极。
实施例三
请参见图3a～图3g，图3a～图3g为本发明实施例提供的一种基于缓冲层的阻变存储器的工艺流程图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的的技术方案进行详细描述。具体地，该方法可以包括：
步骤1：准备衬底。
选取半绝缘衬底31作为衬底，半绝缘衬底31由Si衬底301和Si衬底表面热氧化形成的SiO2 302组成，其中，SiO2 302厚度为80nm-120nm；首先对半绝缘衬底31进行清洗，以去除表面污染物及自然氧化层。清洗工艺如下：将半绝缘衬底31放在丙酮溶液中超声清洗5min以除去表面污染物，然后依次用酒精和去离子水各超声清洗5min，如图3a所示；
优选地，SiO2302厚度可以为100nm。
步骤2：淀积Ti粘附层。
利用直流磁控溅射法，在半绝缘衬底31上淀积Ti粘附层303。溅射时采用直流模式，溅射功率50W，起辉功率10mTor；开始淀积时，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，淀积厚度为20nm-30nm，如图3b所示；
优选地，Ti粘附层303的厚度可以为22、24、26、28、30nm。
步骤3：淀积Pt底电极。
利用直流磁控溅射法，在Ti粘附层303上淀积Pt底电极304。溅射时采用直流模式，溅射功率80-100W，起辉功率10mTor；开始淀积时，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，采用脉冲模式，生长速率为3-5nm/min，淀积厚度为200nm-300nm，如图3c所示；
优选地，溅射功率为100W；
优选地，Pt底电极304的厚度还可以为220、240、260、280nm；
优选地，Pt底电极304还可为金、银、镍、钛、铝、钯、FTO电极中的一种或多种；
优选地，采用脉冲模式，生长速率还可以为4.9nm/min；
优选地，淀积方法还可以为丝网印刷、热蒸发。
步骤4：淀积第一缓冲层Y2O3薄膜。
利用直流磁控溅射法，在Pt底电极304上淀积第一缓冲层Y2O3薄膜305。溅射时采用直流模式，溅射功率40-60W，起辉功率10mTor；开始淀积时，背景真空为5E-6mTor，工作气压为16mTor，采用RF模式，生长速率为3-5nm/min，淀积厚度为5nm-10nm，如图3d所示；
优选地，第一缓冲层Y2O3薄膜305厚度为6、7、8、9nm，8nm最佳；
优选地，溅射功率为50W；
优选地，工作气压选择5mTor；
优选地，生长速率为4.5nm/min；
优选地，淀积方法可以为原子层淀积、化学气相淀积、分子束外延；
优选地，第一缓冲层材料还可以是HfO2、Ta2O5、Al2O3、NiO、Cr2O3、Nb2O5、Zr2O5等高K材料。
步骤5：生长CH3NH3PbI3薄膜。
将645mg的PbI2和217mg的CH3NH3I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI2和CH3NH3I的混合溶液。将PbI2和CH3NH3I的混合溶液在80℃下搅拌2小时，得到搅拌后的溶液。将搅拌后的溶液在80℃静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液。将该CH3NH3PbI3溶液滴加到第一缓冲层Y2O3薄膜305上，进行旋涂时，先以1000rpm的速度旋涂20s，然后再以6000rpm的速度旋涂20s，最后再以1000rpm的速度旋涂5s，在100摄氏度下退火30min，形成厚度为40nm-200nm的CH3NH3PbI3薄膜306，如图3e所示；
优选地，CH3NH3PbI3306薄膜厚度为40、80、100、150、200nm；
优选地，CH3NH3PbI3306薄膜还可以是CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3SnI3中的一种；
优选地，生长方法是两步溶液法，还可以选用一步溶液法、溶胶凝胶法、共蒸发法中的一种。
步骤6：淀积第二缓冲层Y2O3薄膜。
利用直流磁控溅射法，在CH3NH3PbI3薄膜306上淀积第二缓冲层Y2O3薄膜307。溅射时采用直流模式，溅射功率40-60W，起辉功率10mTor；开始淀积时，背景真空为5E-6mTor，工作气压为16mTor，采用RF模式，生长速率为3-5nm/min，淀积厚度为5nm-10nm；如图3f所示；
优选地，第二缓冲层Y2O3薄膜307厚度为6、7、8、9nm，6nm最佳；
优选地，溅射功率为50W；
优选地，工作气压选择5mTor；
优选地，生长速率为4.5nm/min；
优选地，淀积方法可以为原子层淀积、化学气相淀积、分子束外延；
优选地，第二缓冲层材料还可以是HfO2、Ta2O5、Al2O3、NiO、Cr2O3、Nb2O5、Zr2O5等高K材料。
步骤7：淀积Pt点状顶电极。
利用直流磁控溅射及物理掩膜版，在第二缓冲层Y2O3薄膜307上淀积Pt点状顶电极308。溅射时采用直流模式，溅射功率80-100W，起辉功率10mTor；开始淀积时，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，采用脉冲模式，生长速率为3-5nm/min，淀积Pt点状顶电极308的厚度为200nm-300nm，直径为100nm，如图3f所示；
优选地，Pt点状顶电极308的厚度为220、240、260、280nm，240nm最佳；
优选地，Pt点状顶电极308还可以为金、银、镍、钛、铝、钯、FTO电极中的一种或多种；
优选地，溅射功率为100W；
优选地，采用脉冲模式，生长速率为4.9nm/min；
优选地，淀积方法也可以是丝网印刷、热蒸发。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明基于缓冲层的阻变存储器及其制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于缓冲层的阻变存储器的制备方法，其特征在于，包括：
在Si衬底表面热氧化SiO2层形成半绝缘衬底；
在所述半绝缘衬底表面依次连续生长粘附层、底电极和第一缓冲层；
利用旋涂工艺在所述第一缓冲层表面生长CH3NH3PbI3薄膜；
在所述CH3NH3PbI3薄膜表面生长第二缓冲层；
在所述第二缓冲层表面生长点状顶电极，最终形成所述基于缓冲层的阻变存储器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述半绝缘衬底表面连续生长粘附层、底电极和第一缓冲层，包括：
利用磁控溅射工艺，溅射功率为50W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述Si衬底表面生长Ti粘附层；
利用磁控溅射工艺，溅射功率为80-100W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述Ti粘附层表面生长Pt底电极；
利用磁控溅射工艺，溅射功率为40-60W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述Pt底电极表面生长所述第一缓冲层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一缓冲层为Y2O3薄膜。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述Ti粘附层的厚度为20nm-30nm，所述Pt底电极的厚度为200nm-300nm，所述Y2O3薄膜的厚度为5-10nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用旋涂工艺在所述第一缓冲层表面生长CH3NH3PbI3薄膜，包括：
将654mg的PbI2和217mg的CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI2和CH3NH3I的混合溶液；
将所述混合溶液在80摄氏度下搅拌两小时，将搅拌后的所述混合溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液；
将所述CH3NH3PbI3溶液滴加到所述第一缓冲层上进行旋涂；
在100摄氏度下退火30min，形成所述CH3NH3PbI3薄膜。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述CH3NH3PbI3薄膜表面生长第二缓冲层，包括：
利用磁控溅射工艺，溅射功率为40-60W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述CH3NH3PbI3薄膜表面生长所述第二缓冲层。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二缓冲层为厚度为5-10nm的Y2O3薄膜。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二缓冲层表面生长点状顶电极，包括：
利用磁控溅射工艺和物理掩膜版，溅射功率为80W，起辉功率为10mTor，背景真空为5E-6mTor，工作气压为5mTor，在所述第二缓冲层表面生长Pt点状顶电极。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Pt点状顶电极厚度为200nm-300nm，直径为100nm。
10.一种基于缓冲层的阻变存储器，其特征在于，包括：半绝缘衬底、粘附层、底电极、第一缓冲层、阻变层、第二缓冲层和顶电极；其中，所述基于缓冲层的阻变存储器由权利要求1～9任一项所述的方法制备形成。
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|---|---|---|---|---|
| CN113809232A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-12-17 | 西安电子科技大学 | 物理瞬态阈值开关器件及其制备方法和装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102903845A (zh) * | 2012-09-10 | 2013-01-30 | 北京大学 | 一种阻变存储器及其制备方法 |
| CN105185909A (zh) * | 2015-08-18 | 2015-12-23 | 河北大学 | 一种有机材料阻变存储元件及其制备方法 |
| CN105789434A (zh) * | 2014-12-25 | 2016-07-20 | 北京有色金属研究总院 | 一种基于有机/无机杂化钙钛矿材料的阻变存储器及其制备方法 |
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2017
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