CN115915913A - 双层氧化物阻变存储器及制备方法和计算机硬件、计算机 - Google Patents

Abstract

本申请属于阻变存储器技术领域，尤其涉及双层氧化物阻变存储器及制备方法和计算机硬件、计算机；本申请提供的双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、双层氧化物薄膜以及顶电极，以氧化铪薄膜和氧化镍薄膜为双层氧化物薄膜的双层氧化物阻变存储器开关比较好，最高开关比大于10²，高低阻态区分明显，从而解决现有技术中氧化物阻变储存器存在开关比较小的技术问题。

Description

双层氧化物阻变存储器及制备方法和计算机硬件、计算机

技术领域

本申请属于阻变存储器技术领域，尤其涉及双层氧化物阻变存储器及制备方法和计算机硬件、计算机。

背景技术

基于传统MOS管的存储器设备容量与速度已经难以满足信息处理的需求，当前已有铁电存储器、相变存储器以及阻变存储器被开发应用，其中，阻变存储器由于其结构简单，响应速度快，低功耗，储存密度高和与CMOS工艺相兼容等优点，成为研究的重点。

阻变存储器采用简单的金属-绝缘体-金属结构，施加电压时，阻态会在高低阻态之间切换，作为存储器应用其开关比和稳定性极其重要，开关比过小和稳定性过差都会造成信息存储错误，目前已有大量的介质层材料被研究，其中包括有机材料，钙钛矿材料和氧化物材料等。氧化物材料由于其结构简单，易于合成，而吸引了广泛的关注。但目前氧化物阻变储存器仍存在着开关比小等问题，例如基于氧化镍/氧化钴薄膜的双层氧化物阻变储存器开关比较低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了双层氧化物阻变存储器及制备方法和计算机硬件、计算机，用于解决现有技术中氧化物阻变储存器存在开关比较小的技术问题。

本申请第一方面提供了一种双层氧化物阻变存储器，所述双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、双层氧化物薄膜以及顶电极；

所述双层氧化物薄膜为氧化铪薄膜和氧化镍薄膜；

所述氧化铪薄膜的厚度为50～90nm；

所述氧化镍薄膜厚度为70～120nm。

优选的，双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、氧化铪薄膜、氧化镍薄膜以及顶电极；

其中，氧化铪薄膜的厚度为50～60nm；

氧化镍薄膜厚度为70～80nm。

优选的，双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、氧化镍薄膜、氧化铪薄膜以及顶电极；

其中，氧化镍薄膜厚度为70～80nm；

氧化铪薄膜的厚度为50～60nm。

优选的，所述基底选自导电玻璃、石英玻璃、云母中任意一种。

优选的，所述底电极选自掺氟氧化锡、掺铟氧化锡、铂金中任意一种。

优选的，所述顶电极选自金、铂金、铝中任意一种。

优选的，所述基底的厚度为1～2mm。

优选的，所述底电极厚度为200-400nm。

优选的，所述顶电极厚度为80～100nm。

本申请第二方面提供了一种双层氧化物阻变存储器的制备方法，制备方法包括步骤：

步骤S1、将老化后的下层氧化物溶液第一旋涂在底电极上表面，依次进行第一烘干、第一退火得到覆盖在底电极上表面的下层氧化物阻变层材料层；

步骤S2、将老化后的上层氧化物溶液第二旋涂在下层氧化物阻变层材料层上表面，依次进行第二烘干、第二退火得到覆盖在底电极上表面的双层氧化物阻变层材料层；

步骤S3、以顶电极金属为靶材，通过磁控溅射在所述双层氧化物阻变层材料层上表面沉积顶电极，得到双层氧化物阻变存储器；

所述下层氧化物溶液选自氧化铪溶液或氧化镍溶液；

所述上层氧化物溶液选自氧化铪溶液或氧化镍溶液；所述上层氧化物溶液和所述下层氧化物溶液不相同；

步骤S1中，下层氧化物溶液浓度为0.1～0.3mol/L，第一旋涂的旋涂次数为2～3次；

步骤S2中，上层氧化物溶液浓度为0.1～0.3mol/L，第二旋涂的旋涂次数为2～3次。

优选的，步骤S1中，下层氧化物溶液的浓度为0.1～0.3mol/L。

优选的，所述下层氧化物溶液的浓度为0.2mol/L。

优选的，步骤S1中，第一旋涂的过程包括依次以800～1200转/分钟低速旋涂10～15秒、2500～3500转/分钟高速旋涂15～25秒。

优选的，所述第一旋涂的过程包括依次以1000转/分钟低速旋涂15秒、3000转/分钟高速旋涂20秒。

优选的，步骤S1中，第一烘干包括依次在温度为80～120℃条件下烘干10～20分钟、200～400℃条件下5～30分钟；

第一退火为500～700℃条件下退火10～20分钟。

优选的，步骤S1中，所述底电极设置在预处理后的基底上表面。

优选的，所述预处理为将基底依次用无水乙醇和去离子水洗涤，然后烘干。

优选的，步骤S2中，上层氧化物前驱体溶液的浓度为0.1～0.3mol/L。

优选的，所述上层氧化物前驱体溶液的浓度为0.2mol/L。优选的，步骤S2中，第二旋涂的过程包括依次以800～1200转/分钟低速旋涂10～15秒、2500～3500转/分钟高速旋涂15～25秒。

优选的，所述第二旋涂的过程包括依次以1000转/分钟低速旋涂15秒、3000转/分钟高速旋涂20秒。

优选的，步骤S2中，第二烘干包括依次在温度为80～120℃条件下烘干10～20min、200～400℃条件下5～30min；

第二退火为500～700℃条件下退火10～20min。

优选的，步骤S3中，磁控溅射为电子束蒸发溅射仪进行磁控溅射。

本申请第三方面提供了一种计算机硬件，包括运算器、控制器、输入设备、输出设备以及上述双层氧化物阻变存储器。

本申请第四方面提供了一种计算机，包括软件系统和上述计算机硬件。

综上所述，本申请提供了双层氧化物阻变存储器及制备方法和计算机硬件、计算机，双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、双层氧化物薄膜以及顶电极，双层氧化物薄膜为氧化铪薄膜和氧化镍薄膜，以50～90nm氧化铪薄膜和70～120nm氧化镍薄膜为阻变层材料的阻变存储器开关比较好，最高开关比大于10²，高低阻态区分明显，从而解决现有技术中氧化物阻变储存器存在开关比较小的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例1提供的双层氧化物阻变存储器结构示意图；

图2为本申请实施例2提供的双层氧化物阻变存储器I-V特性图；

图3为本申请实施例3提供的双层氧化物阻变存储器I-V特性图；

图4为本申请实施例3提供的双层氧化物阻变存储器循环性能图；

图5为本申请实施例4提供的双层氧化物阻变存储器I-V特性图；

图6为本申请对比例1提供的双层氧化物阻变存储器I-V特性图；

图1中附图标记为：1-基底，2-底电极，3-双层氧化物薄膜的下层氧化物阻变层材料层，4-双层氧化物薄膜的上层氧化物阻变层材料层，5-顶电极。

具体实施方式

本申请提供了双层氧化物阻变存储器及制备方法和计算机硬件、计算机，用于解决现有技术中氧化物阻变储存器存在开关比较小的技术问题。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

本申请实施例1提供了一种双层氧化物阻变存储器，其结构如图1所示，双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底1、底电极2、双层氧化物薄膜以及顶电极5；其中，双层氧化物薄膜包括双层氧化物薄膜的下层氧化物阻变层材料层3和上层氧化物阻变层材料层4；双层氧化物薄膜为厚度为50～90nm的氧化铪薄膜和厚度为70～120nm的氧化镍薄膜，该结构的双层氧化物阻变存储器进行性能测试发现，该结构的双层氧化物阻变存储器最高开关比大于10²，高低阻态区分明显，从而可以解决现有技术中氧化物阻变储存器存在开关比较小的技术问题。

作为优选，双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、氧化铪薄膜、氧化镍薄膜以及顶电极；其中，氧化铪薄膜的厚度为50～60nm；氧化镍薄膜厚度为70～80nm，该结构的双层氧化物阻变存储器不仅开关比约等于10²，高低阻态区分明显，且循环性能十分优异，能解决现有技术中氧化物阻变储存器存在循环性能不稳定的技术问题。

作为优选，双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、氧化镍薄膜、氧化铪薄膜以及顶电极；其中，氧化镍薄膜厚度为70～80nm；氧化铪薄膜的厚度为50～60nm，该结构的双层氧化物阻变存储器开关比最大，开关比于10²，高低阻态区分明显，从而能进一步提高双层氧化物阻变存储器的开关比。

对于基底的材质，作为优选，本申请推荐导电玻璃、石英玻璃、云母中任意一种，厚度为1～2mm；对于底电极的材质，作为优选，本申请推荐掺氟氧化锡、掺铟氧化锡、铂金中任意一种，厚度为200-400nm；对于顶电极的材质，作为优选，本申请推荐金、铂金、铝中任意一种，厚度为80～100nm。

实施例2

本申请实施例2提供了实施例1所述双层氧化物阻变存储器的一种制备方法，制备方法包括配置氧化物溶液的步骤、在底电极上制备双层氧化物薄膜的步骤、制备顶电极的步骤。

其中，配置氧化物溶液的步骤包括配制浓度为0.2mol/L的氧化铪的前驱体溶液，选取乙酰丙酮铪为溶质，以冰乙酸和乙二醇甲醚的混合溶液为溶剂，将计算好的乙酰丙酮铪粉末溶于冰乙酸和乙二醇甲醚的混合溶液中，使用磁力搅拌器，转速设置800转/秒，温度设置为50℃的条件下搅拌至溶液澄清，再加入适量的乙酰丙酮充当稳定剂，然后再继续搅拌3小时,搅拌完的溶液经过过滤储存于样品瓶中，在室温条件下老化48小时备用。配制浓度为0.2mol/L的氧化镍的前驱体溶液，选取乙酸镍为溶质，乙二醇甲醚为溶剂，乙酰丙酮为稳定剂。将计算好的乙酸镍溶于乙二醇甲醚溶液中，使用磁力搅拌器，条件设置为转速1000转/秒，温度设置为35℃，搅拌至溶液澄清，再加入适量的乙酰丙酮作为稳定剂，然后持续搅拌4小时,搅拌完的溶液经过过滤储存于样品瓶中，在室温条件下老化48小时备用。

在底电极上制备双层氧化物薄膜的步骤包括清洗底电极的步骤和制备双层氧化物薄膜的步骤；

清洗底电极的步骤包括将要使用的ITO衬底在超声波清洗仪中清洗，超声波清洗仪设置为功率100％，清洗时长为30分钟，温度设置为常温。将ITO衬底按顺序分别在无水乙醇和去离子水中清洗30分钟，清洗完成的ITO衬底放置于干燥平台进行干燥，然后将ITO衬底移动至常温的平台，待其冷却至常温时才可进行下一步骤；其中，ITO衬底为设置在基底上的掺铟氧化锡。

制备双层氧化物薄膜的步骤包括用干净无尘的注射器分别取1～2mL经过老化的氧化铪和氧化镍前驱体溶液备用，将ITO衬底放置于匀胶机载物台上，开启真空吸附功能，固定ITO衬底。匀胶机的低速挡位设置为1000转/分钟,持续时长设置为15秒,高速挡位设置为3000转/分钟,持续时长设置为20秒。将溶液逐滴滴到ITO衬底上，直至溶液完全覆盖ITO衬底，启动匀胶机进行旋涂薄膜，旋涂完成后，使用棉花棒蘸取微量无水乙醇擦拭薄膜的一角，使其漏出ITO底电极，然后进行干燥，干燥可以挥发其中的有机溶剂，在100℃条件下干燥15分钟，在300℃条件下干燥20分钟。重复以上步骤再旋涂两遍氧化铪。在此基础上以同样的条件再旋涂3次的氧化镍,因注意每次用无水乙醇擦拭的角为同一角。旋涂的氧化铪层厚度为80～90nm，氧化镍层厚度为100～120nm。干燥完的薄膜在快速退火炉中空气条件下600℃退火15分钟使薄膜结晶。

制备顶电极的步骤包括使用电子束蒸发溅射在薄膜顶部溅射厚度为100nm的Au顶电极，制备顶电极后得到Au/NiO/HfO₂/ITO结构的双层氧化物阻变存储器。

实施例3

本申请实施例3提供了实施例1所述双层氧化物阻变存储器的另一种制备方法，制备方法与实施例2的区别在于，控制旋涂的次数，将实施例2中的分别旋涂3次的氧化铪和氧化镍，改为分别旋涂2次的氧化铪和氧化镍。将双层氧化物阻变存储器中氧化铪层厚度制备为50～60nm，氧化镍层厚度制备为70～80nm。

实施例4

本申请实施例4提供了实施例1所述双层氧化物阻变存储器的另一种制备方法，制备方法与实施例3的区别在于，控制旋涂氧化物前驱体溶液的先后顺序，将双层氧化物阻变存储器中氧化铪层厚度制备为50～60nm，氧化镍层厚度制备为70～80nm，氧化镍层为下层氧化物阻变层材料层，氧化铪层为上层氧化物阻变层材料层。

实施例5

本申请实施例5提供了了一种计算机，包括软件系统和计算机硬件；

计算机硬件包括运算器、控制器、输入设备、输出设备以及实施例1-4所述双层氧化物阻变存储器。

本申请实施例1-4提供的双层氧化物阻变存储器开关比较大在102左右，且循环性能优异，从而具有计算机硬件系统中的信息储存器件应用的潜力，满足信息储存器件读写速度快、存储密度高等要求；同时，由于本申请实施例1-4提供的双层氧化物阻变存储器结构简单，也能满足计算机小型化的要求。

对比例1

本申请对比例1提供了与实施3不同的双层氧化物薄膜，其区别在于，双层氧化物分别为上层氧化物氧化钴和下层氧化物氧化镍。旋涂的层数与旋涂的速度与实施例3一致。

其中，氧化钴溶液的配制方法为，将计算好的乙酸钴溶于乙二醇甲醚，常温搅拌至溶解，再加适量乙酰丙酮充当稳定剂。配制成浓度为0.2mol/L的氧化钴前驱体溶液，老化48小时备用。

测试例1

本实施例1用于测试实施例2-4提供的双层氧化物阻变存储器的性能，测试包括使用半导体分析仪Keithley2400对实施例2-4中的阻变存储器件进行电性能测试，在测试平台上，使Keithley2400的正极探针接触该器件的Au顶电极，负极探针接触ITO底电极.

其中，实施例2提供的氧化铪层厚度为80～90nm，氧化镍层厚度为100～120nm的双层氧化物阻变存储器的I-V特性如图2所示，在循环电压0V→3V→0V→-3V→0V下，具有明显的阻变特性，开关比接近10²。

实施例3提供的氧化铪层厚度为50～60nm，氧化镍层厚度为70～80nm双层氧化物阻变存储器的I-V特性如图3所示，在0V→6V→0V→-6V→0V下，该器件具有明显的阻变特性，在0→6V阶段，电流随着扫描电压的增大而增大，展现为器件的低阻态；在6V→0阶段，电流随着扫描电压的减小而减小，展现为器件的高阻态；而在0→-6V阶段，电流随着扫描电压的增大而增大，展现为器件的高阻态；在-6V→0阶段，电流随着电压的减小而减小，展现为器件的低阻态，开关比约为10²，这里的SET操作和RESET操作都表现为模拟型切换，这是因为作为阻变介质层的HfO2层和NiO层的氧空位的数量有差异，使得由氧空位构成的导电灯丝的形成和熔断是渐进进行，所以形成了模拟切换。

本实施例3提供的双层氧化物阻变存储器开关比大于实施例2所述双层氧化物阻变存储器，这说明通过减少氧化物阻变层材料厚度，可以改善双层氧化物阻变存储器的开关比，进一步的，本实施例3提供的双层氧化物阻变存储器循环性能如图4所示，从图4可以看出，本实施例3提供的双层氧化物阻变存储器在百次循环过程十分稳定无明显下降趋势。

实施例4提供的氧化铪层厚度为50～60nm，氧化镍层厚度为70～80nm双层氧化物阻变存储器的I-V特性如图5所示，在循环电压0V→5V→0V→-5V→0V下，具有明显的阻变特性。开关比大于102，而实施例3提供的双层氧化物阻变存储器开关比接近102，这说明通过改变氧化物阻变层材料的上下顺序，可以改善双层氧化物阻变存储器开关比。

对比例1提供的氧化钴与氧化镍的双层氧化物阻变存储器的I-V特性如图6所示，开关比约为30。这是因为存储于顶电极和氧化物界面处的氧离子数量不够多。当对顶电极施加负压时，氧离子与氧空位重新复合，导电灯丝破裂，当氧离子数量不够多时，氧化物阻变层处在不够绝缘的状态，因此高阻态电流不够小。所以导致开关比仅为30。

从上述性能测试可以看出，本申请实施例2-4提供的基于氧化镍/氧化铪薄膜的双层氧化物阻变储存器开关比远高于基于氧化镍/氧化钴薄膜的双层氧化物阻变储存器，这说明本申请提供的氧化镍/氧化铪薄膜的双层氧化物阻变储存器性能优越，具有作为存储器应用的潜力。

以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种双层氧化物阻变存储器，其特征在于，所述双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、双层氧化物薄膜以及顶电极；

所述双层氧化物薄膜为氧化铪薄膜和氧化镍薄膜；

所述氧化铪薄膜的厚度为50～90nm；

所述氧化镍薄膜厚度为70～120nm。

2.根据权利要求1所述的一种双层氧化物阻变存储器，其特征在于，双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、氧化铪薄膜、氧化镍薄膜以及顶电极；

其中，氧化铪薄膜的厚度为50～60nm；

氧化镍薄膜厚度为70～80nm。

3.根据权利要求1所述的一种双层氧化物阻变存储器，其特征在于，双层氧化物阻变存储器包括依次叠加的基底、底电极、氧化镍薄膜、氧化铪薄膜以及顶电极；

其中，氧化镍薄膜厚度为70～80nm；

氧化铪薄膜的厚度为50～60nm。

4.根据权利要求1所述的一种双层氧化物阻变存储器，其特征在于，所述基底选自导电玻璃、石英玻璃、云母中任意一种；

所述底电极选自掺氟氧化锡、掺铟氧化锡、铂金中任意一种；

所述顶电极选自金、铂金、铝中任意一种。

5.权利要求1-4任一项所述的一种双层氧化物阻变存储器的制备方法，其特征在于，制备方法包括步骤：

步骤S1、将老化后的下层氧化物溶液第一旋涂在底电极上表面，依次进行第一烘干、第一退火得到覆盖在底电极上表面的下层氧化物阻变层材料层；

步骤S2、将老化后的上层氧化物溶液第二旋涂在下层氧化物阻变层材料层上表面，依次进行第二烘干、第二退火得到覆盖在底电极上表面的双层氧化物阻变层材料层；

步骤S3、以顶电极金属为靶材，通过磁控溅射在所述双层氧化物阻变层材料层上表面沉积顶电极，得到双层氧化物阻变存储器；

所述下层氧化物溶液选自氧化铪溶液或氧化镍溶液；

所述上层氧化物溶液选自氧化铪溶液或氧化镍溶液；所述上层氧化物溶液和所述下层氧化物溶液不相同；

步骤S1中，下层氧化物溶液浓度为0.1～0.3mol/L，第一旋涂的旋涂次数为2～3次；

步骤S2中，上层氧化物溶液浓度为0.1～0.3mol/L，第二旋涂的旋涂次数为2～3次。

6.根据权利要求5所述的一种双层氧化物阻变存储器的制备方法，其特征在于，步骤S1中，第一旋涂的过程包括依次以800～1200转/分钟低速旋涂10～15秒、2500～3500转/分钟高速旋涂15～25秒；

步骤S2中，第二旋涂的过程包括依次以800～1200转/分钟低速旋涂10～15秒、2500～3500转/分钟高速旋涂15～25秒。

7.根据权利要求5所述的一种双层氧化物阻变存储器的制备方法，其特征在于，步骤S1中，第一烘干包括依次在温度为80～120℃条件下烘干10～20min、200～400℃条件下5～30min，第一退火为500～700℃条件下退火10～20min；

步骤S2中，第二烘干包括依次在温度为80～120℃条件下烘干10～20min、200～400℃条件下5～30min，第二退火为500～700℃条件下退火10～20min。

8.根据权利要求5所述的一种双层氧化物阻变存储器的制备方法，其特征在于，步骤S3中，磁控溅射为电子束蒸发溅射仪进行磁控溅射。

9.一种计算机硬件，其特征在于，包括运算器、控制器、输入设备、输出设备以及权利要去1-4任一项所述的双层氧化物阻变存储器。

10.一种计算机，其特征在于，包括计算机软件系统和权利要求9所述的计算机硬件。

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