一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件及制备方法技术

本发明专利技术涉及微电子的技术领域，更具体地，涉及一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件及制备方法。一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件，其中，由下至上，包括衬底、金属底电极、NiO基阻变介质层、金属顶电极。该NiO基忆阻器件的制备，其特征在于NiO基介质层利用溶液燃烧法，采用涂布工艺制备，优点在于采用溶液燃烧法可印刷工艺制备阻变介质层薄膜，和传统的真空沉积制备薄膜的工艺相比，成膜温度低、设备简单无需真空、成本低、适合大面积制备。

A NiO based memristor device with analog and digital functions prepared by solution combustion method and its preparation method

The invention relates to the technical field of microelectronics, and more specifically, a NiO based memristor device and a preparation method of analog and digital multifunction prepared by a solution combustion method. A NiO based memristor device with analog and digital multifunction is prepared by a solution combustion method, which consists of lower first, including substrate, metal bottom electrode, NiO based resistive dielectric layer, and metal top electrode. The preparation of the NiO based memristor device is characterized by the use of the solution combustion method and the coating process to prepare the NiO based medium layer. The advantage lies in the preparation of the resistive dielectric layer film by the solution combustion process. Compared with the traditional vacuum deposition process, the film has low film temperature, simple equipment and no vacuum and cost. Low, suitable for large area preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件及制备方法
本专利技术涉及微电子的
，更具体地，涉及一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件及制备方法。
技术介绍
忆阻器是基于电阻转变的两端非易失性存储器件，它可以分为两种类型：模拟型忆阻器和数字型忆阻器。数字型忆阻器具有结构简单，密度高，功耗低，作为新一代非易失性存储器被广泛研究。模拟型忆阻器具有电阻连续可调的特点，可作为模拟型非易失存储器应用在可编程模拟电路上，特别是作为人工突触应用在神经网络等新型计算以及人工智能等领域。忆阻器件结构简单，通常为金属/介质层/金属的三明治结构，过渡金属氧化物（ZnO，NiO，TiO，TaO，NbO等）作为忆阻器件的介质层，被广泛使用和报道，其制备方法通常为溅射、热氧化等真空法，成本高。近年来，由于溶液法制备薄膜具有成本低、工艺简单和与柔性电子兼容性好等优点，引起了广泛关注。阻变的机制通常认为是阻变介质层中导电细丝的形成和断裂。基于细丝导电机理的忆阻器一般呈现突然的SET/RESET转变，即数字型忆阻器。相比之下，模拟型忆阻器件的阻变机制尚不清楚。特别是，同时具有模拟和数字阻变特性的单个器件很少被报道。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件及制备方法，本专利技术的忆阻器件具有制造成本低、工艺简单的优势，特性上具有模拟和数字多功能阻变特性，可大大降低数字/模拟混合忆阻器电路的工艺复杂度。本专利技术的技术方案是：一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件，其中，由下至上，包括衬底、金属底电极、NiO基阻变介质层、金属顶电极。本专利技术采用溶液法，利用涂布工艺制备忆阻器件的介质层。本专利技术中我们通过溶液燃烧法涂布工艺制备了基于NiO的忆阻器。在单一的NiO忆阻单元中同时获得了模拟和数字双极性阻变等多功能特性。这项工作有望降低由模拟/数字忆阻器组成的混合集成电路的制造复杂性，为神经网络计算机的发展提供硬件支撑。进一步的，所述的阻变介质层为采用溶液燃烧法涂布工艺制备的NiO基薄膜，其为立方相的多晶态薄膜。进一步的，所述的NiO基介质层薄膜的厚度为30nm-100nm，制备温度300到400度。进一步的，金属底电极为功函数大的惰性金属，如Au、Pt等，容易和p型NiO介质层形成欧姆接触；金属顶电极为功函数小的金属，如Ag、Cu等，易于与p型NiO介质层形成肖特基接触。一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件的制备方法，其中，包括以下步骤：S1.以醇类做溶剂，以乙酰丙酮等做燃烧剂，以氨水做稳定剂，以金属硝酸镍做氧化剂和金属离子源，通过搅拌、过滤、老化等工艺形成稳定的前驱体；S2.将镀有金属底电极的基板进行表面处理形成亲水表面；S3.然后采用溶液燃烧法涂布工艺在衬底上旋涂NiO基阻变介质层；S4.根据介质层厚度的要求，可以进行多次涂布；S5.采用后续热处理方式，促进前驱体的反应，形成NiO薄膜。具体技术方案：（1）利用电子束蒸镀系统蒸镀金属底电极；其中，金属底电极采用功函数大的金属，与p型NiO介质层形成欧姆接触；（2）溶液燃烧法涂布制备NiO阻变介质层薄膜，其中：A、以醇类为溶剂，乙酰丙酮为燃烧剂，氨水为稳定剂，硝酸镍为氧化剂和Ni源；经过搅拌、过滤、老化等工艺，形成溶液前驱体。B、将镀有金属底电极的基板通过等离子或者UV的方式进行处理，形成亲水表面；C、采用涂布方式，在底电极上涂布NiO前驱体，然后将基片转移到加热板上烘烤处理；根据膜厚的要求，重复上述过程进行多次涂布；每次涂布之前，对烘烤过的薄膜再次进行表面亲水性处理；D、为了使薄膜反应更充分，增加薄膜的致密性，将薄膜最后在300度-400度范围内进行空气氛围的退火处理；（3）制备顶电极，并图形化；其中，顶电极采用功函数小的金属，与p型NiO介质层之间形成肖特基接触；本专利技术中，在采用高电压进行Forming之前，该器件表现出电阻连续增大或者减小的非线性变化特性。机理分析认为p型半导体的NiO和低功函数的金属顶电极之间形成了肖特基接触，氧缺陷的迁移改变了界面的肖特基势垒，从而引起电阻的非线性变化。另一方面，采用高电压对器件进行Forming操作后，器件表现出电阻突变的数字阻变特性，其机理复合导电细丝机制。多功能的忆阻特性为神经网络计算等技术的发展提供硬件支持，有望降低模拟/数字忆阻器组成的混合电路的制造复杂性。与现有技术相比，有益效果是：1）NiO介质层的制备采用溶液法，利用涂布工艺制备，工艺简单、成本低、且与柔性电路工艺兼容性好；2）制备的NiO基忆阻器件在同一个阻变单元中同时具有模拟和数字两种多功能阻变特性，有望降低模拟/数字混合忆阻器集成电路的制造复杂性，其模拟非线性阻变特性也为神经网络计算系统的发展提供了硬件支撑。附图说明图1是本专利技术实施例中Si/SiO2/Ti/Pt/NiO/Ag忆阻器的结构示意图。图2是本专利技术实施例中Si/SiO2/Ti/Pt/NiO/Ag忆阻器的电流值随连续的正（负）扫描电压逐渐减小（增加）的变化趋势图。图3是本专利技术实施例中Si/SiO2/Ti/Pt/NiO/Ag忆阻器，电Forming过程、第一次和第一百次直流电压扫描下的电流-电压特性曲线图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。图1是本专利技术实施例中Si/SiO2/Ti/Pt/NiO/Ag忆阻器的结构示意图。包括衬底Si/SiO2，底电极Ti/Pt，阻变介质层NiO，顶电极Ag。本专利技术实施例中Si/SiO2/Ti/Pt/NiO/Ag忆阻器的具体制备工艺流程如下：1.对本专利技术使用的衬底Si/SiO2进行有机清洗，去除有机沾污；2.采用电子束蒸镀系统蒸镀底电极Ti/Pt，厚度为50nm/20nm；3.在底电极上采用溶液燃烧涂布工艺制备阻变介质层NiO,具体的工艺如下：1）以二甲氧基乙醇为溶剂，乙酰丙酮为燃料，氨水为稳定剂，硝酸镍为镍源和氧化剂，将上述混合溶液在空气中搅拌20小时，并通过0.2μm注射器过滤，老化24小时，形成稳定的溶液前驱体；2）将镀有金属底电极的衬底进行氧气等离子体处理，形成亲水表面；3）通过旋涂工艺在经过亲水改性的底电极表面涂布前驱体溶液，旋涂转速为4300rpm，时间为30s，然后将衬底转移到热板上在300度下烘烤30分钟；厚度大概为10nm；4）为了获得厚度为50nm的NiO薄膜，将步骤3）重复5次；为了增加薄膜的粘附性，在旋涂下一层薄膜之前再次用氧气等离子体对薄膜表面进行处理以提高表面的亲水性；5）为了增加薄膜的致密性，最后将薄膜在管式炉中退火0.5小时，温度为350℃，氛围为空气。4.利用掩膜版，采用电子束蒸发系统蒸渡顶电极Ag，厚度为160nm；通过安捷伦B1500A半导体参数仪对本实施例中获得的忆阻器件进行电学性能的测试，测试的结果如图2和3所示。图2是本专利技术实施例中Si/SiO2/Ti/Pt/N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件，其特征在于，由下至上，包括衬底、金属底电极、NiO基阻变介质层、金属顶电极。

【技术特征摘要】
1.一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件，其特征在于，由下至上，包括衬底、金属底电极、NiO基阻变介质层、金属顶电极。2.根据权利要求1所述的一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件，其特征在于：所述的阻变介质层为采用溶液燃烧法涂布工艺制备的NiO基薄膜，其为立方相的多晶态薄膜。3.根据权利要求1所述的一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件，其特征在于：所述的NiO基介质层薄膜的厚度为30nm-100nm，制备温度300到400度。4.根据权利要求1所述的一种溶液燃烧法制备的具有模拟和数字多功能的NiO基忆阻器件，其特征在于：所述的金属底电极为功...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚，裴艳丽，储金星，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44