一种忆阻器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种忆阻器及其制备方法，属于半导体器件微纳加工技术领域，方法包括将电阻率满足第一阈值条件、晶向为<100>的低阻硅片作为低阻硅衬底；在所述低阻硅衬底上制备具有孔阵列的掩膜层；刻蚀所述低阻硅衬底得到具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底，所述具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底作为第一电极层；去除所述掩膜层，在所述具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底上依次沉积介质层和金属层，所述金属层作为第二电极层。本发明专利技术在低阻硅衬底和金属层均引入三维锥形结构阵列，使忆阻器的开和关状态更明显、更容易受控，且采用低阻硅衬底直接作为下电极，减少了忆阻器膜层，降低忆阻器漏电的概率，同时可增大忆阻器阵列面积。

A memristor and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种忆阻器及其制备方法
本专利技术涉及半导体器件微纳加工
，尤其涉及一种可用于快速制作大面积忆阻器阵列的方法及忆阻器。
技术介绍
信息是当今社会重要的资源，存储设备作为信息的存储载体，是各类电子设备的核心部件之一。但现在的存储器件遇到了前所未有的挑战：一方面，半导体晶体管的体积缩小、存储容量和读写速度已将要达到它的物理极限，并伴有芯片发热等现象，稳定性随使用时间下降；另一方面，密集光刻成本的增加以及器件本身存在的缺陷等，都阻碍了集成电路技术的发展。所以，亟需探索一种高速度、低功耗、低成本、性能稳定的新型存储器件。随着信息量的增加，电子设备对存储器的读写速度及容量要求越来越高，目前人们使用最多的非易失存储器是基于硅材料的闪存(Flash)存储器，它具有较高的存储密度和较低的制造成本。但是，由于其读写速度较慢、忍耐性能较差，需要在较高的电压下进行“写”操作，并且Flash器件的可缩小程度己经到达物理极限，这一系列的缺陷限制了Flash存储器在如今科技发展中的应用。为此，人们开始转寻其它新型的非易失性存储器，其中，具有忆阻行为的阻变存储器(RRAM)得到了广泛的关注，目前忆阻器的研究已成为物理、电子、材料、纳米等领域的前沿和热点，并呈现出多学科交叉相融的特征。研究具有忆阻效应的材料基础性能，已成为当今忆阻器发展浪潮中必不可少的环节。相较其他的非易失存储器，忆阻器所具有操作速度快、耐受性好、数据保留时间长、结构简单等优势，已成为下一代高密度非易失存储器的替代品。忆阻器通过施加不同的电激励，使材料电阻在高阻与低阻之间发生切换，从而实现数据存储。然而现目前使用的忆阻器结构大多都是平面结构，加载偏置电压后忆阻器的高低阻变化量级不明显，使得不容易对忆阻器的开和关状态进行良好控制。进一步地，现有制备忆阻器的方法中，想要实际形成合适的忆阻器结构并进行薄膜沉积会有一些问题，例如在某些三维结构上会出现沉积薄膜不连续，介质层的绝缘性差而导致加载电压后顶底层容易直接短路等问题，本专利技术一种制备大面积的高性能忆阻器的方法旨在解决改善上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中在忆阻器上加载偏置电压后忆阻器的高低阻态变化量级不明显，制备较大面积覆盖的多膜层且具有百纳米级三维结构单元阵列的器件成本高且困难，提供一种忆阻器及其制备方法：通过在衬底和金属层引入三维锥形锥形阵列，在相对小的外电压作用下使电化学反应锥形阵列尖端区域发生，忆阻器高低阻变化量级明显，使忆阻器的开、关状态更明显，忆阻器更易受控；进一步地，利用湿法异性刻蚀刻蚀<100>晶向的低阻基片，由于刻蚀液对单晶硅的100及111晶面上刻蚀速度不同，可以得到角度约54°的锥形结构，在这样有适度倾角的情况下，沉积薄膜时是可以被覆盖的，但如果是盘或柱状的结构，因为倾斜角度大，导致侧面是无法被覆盖做到薄膜连续的；采用磁控溅射法等方法在具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底上沉积二氧化硅等材料能够进一步忆阻器的绝缘效果。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种忆阻器制备方法，包括以下步骤：S01：将电阻率满足第一阈值条件、晶向为<100>的低阻硅片作为低阻硅衬底；S02：在低阻硅衬底上制备具有孔阵列的掩膜层；S03：刻蚀低阻硅衬底得到具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底，所述低阻硅衬底作为第一电极层；S04：去除掩膜层，在具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底表面依次沉积介质层和金属层，金属层作为第二电极层，从第一、第二电极层分别引出电极，得到忆阻器。具体地，第一阈值条件为低阻硅衬底的电阻率为0.001-0.1Ω·cm，以满足外电场作用下金属离子迁移条件，使忆阻器能够在高阻态与低阻态之间切换；覆盖具有孔阵列掩膜层的<100>晶向的低阻硅衬底，在进行湿法刻蚀时容易在低阻硅表面形成三维锥形结构阵列。具体地，制备具有孔阵列的掩膜层的方法包括但不限于微球辅助光刻法、双/多光束激光干涉光刻法、纳米压印法。具体地，掩膜层包括但不限于氮化硅、氧化硅。具体地，刻蚀低阻硅衬底具体步骤为：配置用于刻蚀低阻硅衬底的各向异性刻蚀溶液，各向异性刻蚀溶液为碱性溶液，具体为氢氧化钾或氢氧化钠或四甲基氢氧化铵(TMAH)或混合刻蚀液，混合刻蚀液为氢氧化钾、氢氧化钠、TMAH中任意一种溶液与异丙醇(IPA)的混合液，由于混合刻蚀液中加入了IPA，能够调整刻蚀反应速率并能优化刻蚀表面形貌，降低刻蚀表面形貌粗糙度；将低阻硅衬底置于某一温度的各向异性刻蚀溶液中，对低阻硅衬底进行各向异性刻蚀。具体地，刻蚀低阻硅衬底得到具有三维锥形结构阵列的衬底；去除掩膜层步骤包括：将具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底放入氢氟酸与水体积比1：80的混合溶液浸泡第一时间，再采用浓磷酸去除衬底上的掩膜层；或采用氢氟酸缓冲液去除衬底的掩膜层。具体地，沉积介质层和金属层可以为采用物理气相沉积法(包括但不限于磁控溅射法、电子束蒸发镀膜法、脉冲激光沉积法、电阻热蒸发镀膜法)或等离子体增强化学气相沉积法依次在去除所述掩膜层的具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底上沉积介质层和金属层。具体地，介质层包括但不限于二氧化硅、氧化铝、氮化硅或氟化镁，介质层厚度为20nm-500nm；金属层具体为不稳定金属，包括但不限于银、铜，且金属层厚度为20nm-500nm。本专利技术还包括一种忆阻器，忆阻器包括具有三维锥形图案阵列的低阻硅衬底，和在所述衬底上依次沉积的介质层、金属层。其中，具有三维锥形图案阵列的低阻硅衬底作为忆阻器的第一电极层，金属层作为忆阻器的第二电极层。具体地，三维锥形结构(锥形孔或锥形柱)的深度为百纳米级至微米级，三维锥形结构的开口孔径(即低阻硅表面的孔径)尺寸处于百纳米级至微米级，方便忆阻器的制备。介质层包括但不限于二氧化硅、氧化铝、氮化硅或氟化镁，金属层为不稳定金属，包括但不限于银、铜。与现有技术相比，本专利技术有益效果是：(1)本专利技术在作为电极的低阻硅衬底和金属层均引入三维锥形结构阵列，在相对小的外电压作用下电化学反应就能在锥形阵列尖端区域发生，使忆阻器的开和关状态更明显、更容易受控。进一步地，基于三维锥形结构的忆阻器阵列上沉积薄膜会保证薄膜的连续性，以使忆阻器能够获得更好的器件性能。(2)本专利技术采用碱性各向异性刻蚀溶液对低阻硅衬底进行刻蚀，能够在低阻硅衬底上形成具有三维锥形结构阵列，保证了三维锥形阵列在空间平行，能更好地保证中间介质层的绝缘作用，也能保证在加载电压时，加载到金属层任一点位时都能形成电流路径；进一步地，保证了三维锥形阵列在空间平行，能够大面积制备忆阻器阵列，且单次制备的忆阻器阵列可切割分为若干忆阻器。(3)本专利技术方法中采用磁控溅射法、电子束蒸发镀膜法、脉冲激光沉积法等物理气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅等材料能够取得良好的绝缘效果，且整个制备流程中所需工艺(微球辅助光刻法、双/多光束激光干涉光刻法、纳米压印法等)成熟，能够很好地实现并制备出形貌良好的器件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种忆阻器制备方法，其特征在于：所述方法包括：/n将电阻率满足第一阈值条件、晶向为<100>的低阻硅片作为低阻硅衬底；/n在所述低阻硅衬底上制备具有孔阵列的掩膜层；/n刻蚀所述低阻硅衬底得到具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底，所述具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底作为第一电极层；/n去除所述掩膜层，在所述具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底上依次沉积介质层和金属层，所述金属层作为第二电极层。/n

【技术特征摘要】
1.一种忆阻器制备方法，其特征在于：所述方法包括：
将电阻率满足第一阈值条件、晶向为<100>的低阻硅片作为低阻硅衬底；
在所述低阻硅衬底上制备具有孔阵列的掩膜层；
刻蚀所述低阻硅衬底得到具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底，所述具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底作为第一电极层；
去除所述掩膜层，在所述具有三维锥形结构阵列的低阻硅衬底上依次沉积介质层和金属层，所述金属层作为第二电极层。


2.根据权利要求1所述的一种忆阻器制备方法其特征在于：所述第一阈值条件为所述低阻硅衬底的电阻率为0.001-0.1Ω·cm。


3.根据权利要求1所述的一种忆阻器制备方法，其特征在于：所述制备具有孔阵列的掩膜层的方法包括微球辅助光刻法、双/多光束激光干涉光刻法、纳米压印法。


4.根据权利要求1所述的一种忆阻器制备方法，其特征在于：所述掩膜层包括为氮化硅或氧化硅。


5.根据权利要求1所述的一种忆阻器制备方法，其特征在于：所述刻蚀所述低阻硅衬底具体步骤为：
配置用于刻蚀低阻硅衬底的各向异性刻蚀溶液，所述各向异性刻蚀溶液为碱性溶液，具体为氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，刘贤超，崔官豪，周泓希，苟军，史佳欣，刘德幸，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51