一种基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器及其制备方法和应用，属于非易失性存储器领域。该高存储窗口忆阻器的制备步骤如下：在合适的非导电衬底上沉积金属导电薄膜作为高存储窗口忆阻器的下电极；采用溅射方式在下电极上沉积Mg离子和非晶Y2O3薄膜，形成Mg离子掺杂Mg:Y2O3薄膜，作为高存储窗口忆阻器的存储层；在存储层上沉积金属导电薄膜作为高存储窗口忆阻器的上电极，得到基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器，具有结构简单，制备方法可控，经济且环保，通过控制Mg离子对非晶Y2O3的晶格的间隙位替代，改变缺陷的形成能，使存储窗口得到有效的提高，在规模化方面具有良好的市场应用前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于非易失性存储器
，具体涉及一种基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着人工智能、机器学习等数据技术的发展，人们对于高密度存储设备的需求越来越高。然而，传统存储器技术工艺的发展正在接近理论极限，器件的小型化也变得越来越困难。因此，受现有材料和工艺技术瓶颈的限制，迫切需要一种高性能、高密度、高稳定性的新型非易失性存储器。其中，电阻随机存取存储器被认为是下一代高性能非易失性存储器，是人工智能和神经形态应用中最有前途的候选器件之一，具有与互补金属氧化物半导体技术兼容、结构简单和集成密度高等优点。对于电阻存储介质，各种材料已被报道表现出阻变行为，其中氧化钇作为近年来一种很有前途的阻变材料受到了人们的关注。众所周知，Y2O3具有优异的电学性能，表现为宽带隙(5.6eV)、低漏电流、高击穿电压和良好的热稳定性等。尤其，非晶态Y2O3通常富含氧空位缺陷，它为基于氧离子迁移的阻变存储器应用提供了巨大的潜力。
[0003]然而，对于信息存储的大规模集成，基于Y2O3薄膜的忆阻器仍有一些方面需要改进，比如存储窗口有待提高。目前报道的氧化钇电阻存储器，高低阻态的电流比值很小，阻态之间容易发生误读，因此获得具有高存储窗口的忆阻器尤为重要。此外，随着技术的发展，研究人员越来越关注器件的各项性能，如高精度识别、低功耗、环保、可持续、高密度存储等，而以上性能都要需要忆阻器具有较大的存储窗口。目前，已经探索了许多在不改变电阻层材料结构的情况下提高存储窗口的方法，如替换顶部电极材料、插入功能层、元素掺杂等。其中，掺杂无疑是一种方便的材料改进方法。然而，并不是所有的金属掺杂都能显著改善存储窗口，甚至在某些情况下，它会导致记忆窗口的缩小。在金属氧化物基电阻存储器中，一般认为电阻开关是由氧空位电导丝的形成/断裂引起的。因此，该器件存储窗口的改进是可以通过调节电阻功能层中氧空位的含量来实现的。
[0004]但是目前而言，基于Y2O3薄膜的忆阻器目前存在存储窗口较小的问题，这会增加误读的可能性，制约了其应用前景，利用Mg离子对Y2O3非晶薄膜进行掺杂来实现具有高存储窗口忆阻器的制备未有报道。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器及其制备方法和应用，以解决现有的Y2O3薄膜基忆阻器存储窗口较小的技术问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术公开了一种基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器的制备方
法，包括如下步骤：
[0008]1)采用溅射工艺在非导电衬底上沉积金属导电薄膜作为下电极；
[0009]2)采用溅射工艺在步骤1)制得的下电极上沉积Mg离子和非晶Y2O3薄膜，形成Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜，作为存储层；
[0010]3)采用溅射工艺在步骤2)制得的存储层上沉积金属导电薄膜作为上电极；得到基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器。
[0011]优选地，步骤2)中，Mg离子和非晶Y2O3薄膜采用共溅射方式进行沉积；形成的Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜中，Mg离子的掺杂浓度为Y离子的2％～10％。
[0012]优选地，步骤2)中，在Mg离子和非晶Y2O3薄膜的沉积过程中，非导电衬底的温度为100～350℃；并同时通入氩气和氧气；氩气流速为5～20sccm，氧气流速为5～20sccm。
[0013]优选地，步骤2)中，Mg离子和非晶Y2O3薄膜的沉积时间为200～400秒。
[0014]优选地，步骤2)中，所述Mg离子的溅射源为高纯镁靶材；非晶Y2O3薄膜的溅射源为高纯钇靶材。
[0015]优选地，步骤2)中，镁靶材溅射功率为2～10瓦；钇靶材的溅射功率为50～200瓦。
[0016]优选地，所述非导电衬底为SiO2/Si或高度平坦化非导电玻璃；所述下电极为金、铂、铜或ITO的导电薄膜；所述上电极为金、铂、铜或ITO的导电薄膜。
[0017]优选地，所述下电极的厚度为80～150纳米；所述上电极的厚度为50～200纳米；所述上电极利用直径为20～200微米的圆形掩模版控制形状。
[0018]本专利技术还公开了上述制备方法制得的基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器。
[0019]本专利技术还公开了上述基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器在非易失性存储器中的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]本专利技术公开了一种基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器的制备方法。目前Y2O3具有优异的电学性能，特别是非晶态Y2O3通常富含氧空位缺陷，为基于氧离子迁移的忆阻器的应用提供了巨大的潜力。但是基于Y2O3薄膜的忆阻器目前存在存储窗口较小的问题，这会增加误读的可能性，制约了其应用前景。本专利技术利用碱金属Mg离子对非晶Y2O3薄膜进行可控掺杂改性，通过控制Mg离子对非晶Y2O3的晶格的间隙位替代，改变缺陷的形成能，实现对非晶Y2O3薄膜电学性质的改性，以此为存储层构建阻变器件，获得具有的高存储窗口的忆阻器，相对于没有掺杂的非晶Y2O3薄膜忆阻器，其存储窗口得到有效的提高，在非易失性存储器领域具有广阔的应用前景。采用溅射工艺在非导电衬底上沉积金属导电薄膜作为下电极，获得稳定可靠的上电极，进而为忆阻器的高可靠性提供保障；采用溅射工艺在下电极上沉积Mg离子和非晶Y2O3薄膜，形成Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜，作为存储层，能有效的调控存储层中与存储特性有关的缺陷的浓度及分析，是提高存储窗口的关键；采用溅射工艺在存储层上沉积金属导电薄膜得到上电极；为进一步实现高存储窗口忆阻器提供保障；得到的基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器。
[0022]进一步的，Mg离子和非晶Y2O3薄膜采用共溅射的方式完成可控的掺杂，此方式有助于实现Mg离子的均匀掺杂，而采用先溅射Y2O3薄膜，再溅射Mg离子的顺序溅射，制备的薄膜的掺杂均匀性不好，制备的器件性能变差。
[0023]进一步的，在Mg离子和非晶Y2O3薄膜的沉积过程中，通入氩气和氧气，氩气流速为5～20sccm，氧气流速为5～20sccm，过低的流速，制备的薄膜厚度不可控；过大的流速，制备的器件稳定性差。
[0024]进一步的，选择合适的衬底生长温度和反应时间。衬底的生长温度过低，制备的阻变薄膜缺陷过多，影响器件的性能；衬底的温度过高，薄膜的掺杂不均匀，阻变特性稳定性差。生长时间过短，制备的阻变层薄，器件容易击穿，过厚的存储层使器件的阻变性能变差。
[0025]进一步的，Mg离子的溅射源为镁靶材；非晶Y2O3薄膜的溅射源为钇靶材，有助于提高溅射薄膜的平坦度和致密性，且通过调节反应气氛，有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)采用溅射工艺在非导电衬底上沉积金属导电薄膜作为下电极；2)采用溅射工艺在步骤1)制得的下电极上沉积Mg离子和非晶Y2O3薄膜，形成Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜，作为存储层；3)采用溅射工艺在步骤2)制得的存储层上沉积金属导电薄膜作为上电极；得到基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器。2.根据权利要求1所述的基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤2)中，Mg离子和非晶Y2O3薄膜采用共溅射方式进行沉积；形成的Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜中，Mg离子的掺杂浓度为Y离子的2％～10％。3.根据权利要求1所述的基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤2)中，在Mg离子和非晶Y2O3薄膜的沉积过程中，非导电衬底的温度为100～350℃；并同时通入氩气和氧气；氩气流速为5～20sccm，氧气流速为5～20sccm。4.根据权利要求1所述的基于Mg离子掺杂非晶Y2O3薄膜的高存储窗口忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤2)中，Mg离子和非晶Y2O3薄膜的沉积时...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱媛媛，王红军，罗道斌，王有庆，周静，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：