專利名稱：基于(Bi₂O₃)_1-X(Y₂O₃)_X固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)記憶元件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子器件及其材料領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于集成電路 的新型可快速讀寫的基于(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)記憶元 件及其制備方法。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)久以來，半導(dǎo)體行業(yè)一直力圖把更多數(shù)量的晶體管集成到一個(gè)面積極為微小的 芯片上。1965年，英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人摩爾預(yù)言，未來每?jī)赡?，同一面積芯片上可以集 成的晶體管數(shù)量將翻倍，這就是后人所稱的“摩爾定律”。隨著集成度的不斷提高，硅基CMOS 器件的尺寸已經(jīng)接近物理極限，人們一方面尋找更加有效利用電子管的技術(shù)，另一方面希 望找到新的原理和新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來突破“摩爾定律”的限制。計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)由運(yùn)算器和存儲(chǔ)器兩大系統(tǒng)構(gòu)成。存儲(chǔ)器對(duì)計(jì)算機(jī)來說起著至 關(guān)重要的作用。目前存儲(chǔ)器分為揮發(fā)存儲(chǔ)器和非揮發(fā)存儲(chǔ)器兩種。典型的揮發(fā)存儲(chǔ)器如 DRAM等，它具有讀寫速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要供電維持。非揮發(fā)存儲(chǔ)器如最初 的只讀存儲(chǔ)器(ROM)到目前發(fā)展很快的新型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器一閃速存儲(chǔ)器(Flash Memory) 等。它們的主要特點(diǎn)是在不加電的情況下能長(zhǎng)期保持存儲(chǔ)的信息。但是非揮發(fā)存儲(chǔ)器的寫 入一般較為緩慢；非揮發(fā)存儲(chǔ)器還在寫入上存在著固有的局限性，在一定次數(shù)的寫入操作 后，存儲(chǔ)器會(huì)達(dá)到自己的承受極限而出現(xiàn)故障。而理想的存儲(chǔ)器應(yīng)當(dāng)具備非揮發(fā)性以及與 SRAM類似的存取速度，同時(shí)有足夠多的寫入次數(shù)，以及只消耗非常少的功率，這正是推動(dòng)最 新一代非揮發(fā)存儲(chǔ)器快速發(fā)展的因素。幾年來一種非揮發(fā)存儲(chǔ)器-電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)引起了人們的廣泛關(guān)注。電 阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器利用在外場(chǎng)作用下材料電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象來存儲(chǔ)信息。與傳統(tǒng)存儲(chǔ)器相 比，RRAM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)密度大，能量消耗低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是目前已有的RRAM材料普遍具有制備工藝苛刻，性能對(duì)工藝條件敏感的問題。 本發(fā)明人發(fā)明了一種基于(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的RRAM，它的性能對(duì)氧氣壓，溫 度，和化學(xué)計(jì)量比等制備條件不敏感?？梢栽诒容^寬松的條件下制備出性能優(yōu)異的RRAM器 件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供了一種基于(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮 發(fā)性記憶元件。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供了一種制備上述非揮發(fā)性記憶元件的方法。本發(fā)明的一方面提供了一種基于(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)性記 憶元件。所述非揮發(fā)性記憶元件包括襯底、底電極、(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜、頂電 極和兩條引線，其中(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜夾在底電極和頂電極之間，底電極位于所述襯底上，兩條引線分別由底電極和頂電極引出。并且(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄 膜中χ的取值范圍為0. 25 < χ < 0. 43。優(yōu)選地，所述元件的厚度為10nm-1000nm。優(yōu)選地，所述襯底為無機(jī)非金屬材料，該無機(jī)非金屬材料優(yōu)選選自玻璃、陶瓷、硅 和被二氧化硅薄層覆蓋的硅中的一種。優(yōu)選地，所述底電極為不活潑的金屬，優(yōu)選為鉬或金，其厚度為lOnm-lOOnm。優(yōu)選地，所述(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為單相晶體結(jié)構(gòu)，且 (Bi2O3) i-x (Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的厚度為400nm-600nm。優(yōu)選地，所述頂電極為容易與氧發(fā)生反應(yīng)的金屬，優(yōu)選為銅、銀或鈦，其厚度為 IOnm-IOOnm0本發(fā)明的另一方面提供了一種制備上述非揮發(fā)性記憶元件的方法，所述方法包括 以下步驟
(a)在襯底上利用磁控濺射、脈沖激光沉積或離子束沉積的方法沉積底電極；(b)在底電極上利用脈沖激光沉積(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜；(c)在(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜上利用磁控濺射、脈沖激光沉積或離子束 沉積的方法沉積頂電極；和(d)由頂電極和底電極分別接出引線。在本發(fā)明方法的步驟(b)中，沉積(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的方法優(yōu)選如 下將(Bi2O3UY2O3)x單相陶瓷靶安裝在脈沖激光沉積系統(tǒng)的靶臺(tái)上，沉積好底電極的襯 底安裝在襯底臺(tái)上，加熱器安裝在襯底臺(tái)下；以上都安裝在生長(zhǎng)室中；首先將生長(zhǎng)氣壓抽 至0. OlPa以下，通入氧氣，調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量與抽氣量使氧氣壓力維持在適當(dāng)壓力下；將襯 底加熱到適當(dāng)溫度；啟動(dòng)KrF激光器，波長(zhǎng)為248nm，脈沖寬度脈沖能量為200mJ ；將激光聚 焦到靶材上，開始薄膜沉積。任選地，在薄膜沉積結(jié)束后，將(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄 膜加熱到600-800°C，在原位退火5-15分鐘。優(yōu)選地，所述襯底為無機(jī)非金屬材料，該無機(jī)非金屬材料優(yōu)選選自玻璃、陶瓷、硅 和被二氧化硅薄層覆蓋的硅中的一種；所述底電極為不活潑金屬，優(yōu)選為鉬或金；所述頂 電極為容易與氧發(fā)生反應(yīng)的金屬，優(yōu)選為銅、銀或鈦。優(yōu)選地，在所述方法步驟(b)還包括靶材的制備，其中(Bi2O3UY2O3)x單相陶瓷 靶是用Bi2O3粉末和Y2O3粉末混合燒結(jié)制備的；首先將化學(xué)計(jì)量比合適的Bi2O3粉末和Y2O3 粉末混合研磨，放入電爐中燒結(jié)；燒結(jié)完成后的混合粉末經(jīng)再次研磨，用靜壓法壓成合適的 大小和形狀；最后用電爐燒結(jié)成靶。優(yōu)選地，所述脈沖激光沉積(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的條件為氧氣壓 50-100Pa，襯底溫度300-500°C;所述Bi2O3粉末和Y2O3粉末以摩爾比6 4-3 1混合，且 燒結(jié)溫度為600-1000°C。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于本發(fā)明的基于(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)性記憶元件具有體積小、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有非揮發(fā)記憶功能、低能耗、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，并且根據(jù)本發(fā)明的基于 (Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)性記憶元件穩(wěn)定，對(duì)氧氣壓，溫度，和化學(xué)計(jì)量比 等條件不敏感。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明用于制備(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的脈沖激光沉積設(shè) 備結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I-KrF準(zhǔn)分子激光器、2-聚焦鏡、3-沉積室、4-靶臺(tái)、5-襯底臺(tái)和襯底 加熱裝置、6-襯底、和7-抽氣口。圖2為根據(jù)本發(fā)明的(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的X射線衍射圖，其中(a) 為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的X射線衍射圖；(b)為根據(jù)本 發(fā)明實(shí)施例2的(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的XRD衍射圖；(c)為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例 3的(Bi2O3) ^ (Y2O3) x固體電解質(zhì)薄膜的XRD衍射圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明的非揮發(fā)性記憶元件的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1-頂電極、 2"(Bi2O3) i-x (Y2O3)χ固體電解質(zhì)薄膜、3_底電極、4-襯底、和5-引線。圖4為根據(jù)本發(fā)明的非揮發(fā)性記憶元件的電流-電壓特性的曲線圖，其中χ軸為 電壓，y軸為響應(yīng)電流。圖5為根據(jù)本發(fā)明的非揮發(fā)性記憶元件在脈沖+5V、無飽和電流限制和+3V、ImA飽 和電流限制脈沖作用下的電阻轉(zhuǎn)變過程的圖，其中脈沖寬度為1ms。χ軸為時(shí)間，y軸為電 阻。圖6為根據(jù)本發(fā)明的非揮發(fā)性記憶元件的高電阻狀態(tài)和低電阻狀態(tài)隨時(shí)間變化 的圖。χ軸為時(shí)間，y軸為電阻。HRS為高電阻狀態(tài)，LRS為低電阻狀態(tài)。圖7為根據(jù)本發(fā)明的非揮發(fā)性記憶元件在500°C的溫度下的電壓_電流特性的曲 線圖。
具體實(shí)施例方式以下參照具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，這些實(shí)施例僅 用于說明本發(fā)明的目的，其不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。^MMl(Bi2O3) H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的制備(1) (Bi2O3) ^(Y2O3)jJE材由 Bi2O3 和 Y2O3 粉末燒結(jié)而成將 70%mol 的 Bi2O3和 30% mol的Y2O3粉末混合研磨，將研磨好的混合物在空氣環(huán)境下800°C燒結(jié)7h，然后將燒結(jié)好的 粉末再次研磨，30MPa靜壓力壓成30 X 4mm的圓片，在電爐中燒結(jié)8h制成；(2)將(Bi2O3)H(Y2O3)j^E材固定在脈沖激光薄膜沉積系統(tǒng)的靶臺(tái)上，并將襯底固 定在襯底臺(tái)上；所使用的激光器為相干公司生產(chǎn)的脈沖激光器系統(tǒng)，沉積室和真空系統(tǒng)為 北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)，所述設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示；(3)將真空抽到0. OOlPa以下，向生長(zhǎng)室內(nèi)充入氧氣，并調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量和機(jī)械泵 抽氣量使氧氣壓維持在90Pa ；(4)加熱襯底，使襯底溫度維持在300°C ；(5)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器，將光束聚焦到靶材上，開始薄膜沉積；3Hz沉積20min 后關(guān)閉激光器，結(jié)束沉積過程。使用Rigaku D/Max-2400X射線衍射儀(購自日本理學(xué)電機(jī)株式會(huì)社)對(duì)制備的 (Bi2O3) I-X (Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜進(jìn)行χ射線衍射分析，所得到的圖譜如圖2(a)所示，圖中的衍射峰對(duì)應(yīng)(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)相，呈現(xiàn)出δ-B2O3固體電解質(zhì)相。沒有雜峰表 明薄膜為單相，并且得到的(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的厚度為500nm。^MMl(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的制備(1) (Bi2O3) ^(Y2O3)jJE材由 Bi2O3 和 Y2O3 粉末燒結(jié)而成將 70%mol 的 Bi2O3和 30% mol的Y2O3粉末混合研磨，將研磨好的混合物在空氣環(huán)境下800°C燒結(jié)7h，然后將燒結(jié)好的 粉末再次研磨，30MPa靜壓力壓成30 X 4mm的圓片，在電爐中燒結(jié)8h制成；(2)將(Bi2O3)H(Y2O3)j^E材固定在脈沖激光薄膜沉積系統(tǒng)的靶臺(tái)上，并將襯底固 定在襯底臺(tái)上；所使用的激光器為相干公司生產(chǎn)的脈沖激光器系統(tǒng)，沉積室和真空系統(tǒng)為 北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)，所述設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示；(3)將真空抽到0. OOlPa以下，向生長(zhǎng)室內(nèi)充入氧氣，并調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量和機(jī)械泵 抽氣量使氧氣壓維持在90Pa ；(4)加熱襯底，使襯底溫度維持在500°C ；(5)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器，將光束聚焦到靶材上，開始薄膜沉積，3Hz沉積20min 后關(guān)閉激光器，結(jié)束沉積過程。使用Rigaku D/Max-2400X射線衍射儀(購自日本理學(xué)電機(jī)株式會(huì)社)對(duì)制備的 (Bi2O3) I-X (Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜進(jìn)行χ射線衍射分析，所得到的圖譜如圖2(b)所示，圖中 的衍射峰對(duì)應(yīng)(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)相，呈現(xiàn)出δ-B2O3固體電解質(zhì)相。沒有雜峰表 明薄膜為單相，并且得到的(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的厚度為500nm。^MMl(Bi2O3)1-X(Y2O3)ii固體電解質(zhì)薄膜的制備(1) (Bi2O3) ^(Y2O3)jJE材由 Bi2O3 和 Y2O3 粉末燒結(jié)而成將 70% mol 的 Bi2O3和 30% mol的Y2O3粉末混合研磨，將研磨好的混合物在空氣環(huán)境下800°C燒結(jié)7h，然后將燒結(jié)好的 粉末再次研磨，30MPa靜壓力壓成30 X 4mm的圓片，在電爐中燒結(jié)8h制成；(2)將(Bi2O3)H(Y2O3)j^E材固定在脈沖激光薄膜沉積系統(tǒng)的靶臺(tái)上，襯底固定在 襯底臺(tái)上；所使用的激光器為相干公司生產(chǎn)的脈沖激光器系統(tǒng)，沉積室和真空系統(tǒng)為北京 中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)，所述設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示；(3)將真空抽到0. OOlPa以下，向生長(zhǎng)室內(nèi)充入氧氣，并調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量和機(jī)械泵 抽氣量使氧氣壓維持在90Pa ；(4)加熱襯底，使襯底溫度維持在500°C ；(5)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器，將光束聚焦在靶材上，開始薄膜沉積；(6)沉積30min后關(guān)閉激光器，將襯底溫度加熱到700°C，退火lOmin。使用Rigaku D/Max-2400X射線衍射儀(購自日本理學(xué)電機(jī)株式會(huì)社)對(duì)制備 的(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜進(jìn)行X射線衍射分析，所得到的圖譜如圖2(c)所示， 圖中的衍射峰對(duì)應(yīng)(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)相，呈現(xiàn)出δ-B2O3固體電解質(zhì)相。沒有 雜峰表明薄膜為單相，并且經(jīng)過退火的樣品呈現(xiàn)出與襯底一致的擇優(yōu)取向，并且得到的 (Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的厚度為500nm。^MMi(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的制備(1) (Bi2O3) ^(Y2O3)jJE材由 Bi2O3 和 Y2O3 粉末燒結(jié)而成將 70% mol 的 Bi2O3和 30% mol的Y2O3粉末混合研磨，將研磨好的混合物在空氣環(huán)境下800°C燒結(jié)7h，然后將燒結(jié)好的 粉末再次研磨，30MPa靜壓力壓成30 X 4mm的圓片，在電爐中燒結(jié)8h制成；
(2)將(Bi2O3)H(Y2O3)j^E材固定在脈沖激光薄膜沉積系統(tǒng)的靶臺(tái)上，并將襯底固 定在襯底臺(tái)上；所使用的激光器為相干公司生產(chǎn)的脈沖激光器系統(tǒng)，沉積室和真空系統(tǒng)為 北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)；(3)將真空抽到0. OOlPa以下，向生長(zhǎng)室內(nèi)充入氧氣，并調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量和機(jī)械泵 抽氣量使氧氣壓維持在60Pa ；(4)加熱襯底，使襯底溫度維持在500°C ；(5)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器，將光束聚焦到靶材上，開始薄膜沉積，3Hz沉積20min 后關(guān)閉激光器，結(jié)束沉積過程。得到的(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜呈現(xiàn)出δ -B2O3固體電解質(zhì)相，且為單相， 并且薄膜的厚度為500nm。(Bi2O3) i-x (Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的制備(1) (Bi2O3) ^(Y2O3)jJE材由 Bi2O3 和 Y2O3 粉末燒結(jié)而成將 60%mol 的 Bi2O3和 40% mol的Y2O3粉末混合研磨，將研磨好的混合物在空氣環(huán)境下800°C燒結(jié)7h，然后將燒結(jié)好的 粉末再次研磨，30MPa靜壓力壓 成30 X 4mm的圓片，在電爐中燒結(jié)8h制成；(2)將(Bi2O3)H(Y2O3)j^E材固定在脈沖激光薄膜沉積系統(tǒng)的靶臺(tái)上，并將襯底固 定在襯底臺(tái)上；所使用的激光器為相干公司生產(chǎn)的脈沖激光器系統(tǒng)，沉積室和真空系統(tǒng)為 北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)；(3)將真空抽到0. OOlPa以下，向生長(zhǎng)室內(nèi)充如氧氣，并調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量和機(jī)械泵 抽氣量使氧氣壓維持在90Pa ；(4)加熱襯底，使襯底溫度維持在500°C ；(5)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器，將光束聚焦到靶材上，開始薄膜沉積，3Hz沉積20min 后關(guān)閉激光器，結(jié)束沉積過程。得到的(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜呈現(xiàn)出δ -B2O3固體電解質(zhì)相，且為單相， 并且薄膜的厚度為500nm。^MMe(Bi2O3)1-X(Y2Q3)X固體電解質(zhì)薄膜的制備(1) (Bi2O3) H(Y2O3)jJE材由 Bi2O3 和 Y2O3 粉末燒結(jié)而成將 75% mol 的 Bi2O3和 25% mol的Y2O3粉末混合研磨，將研磨好的混合物在空氣環(huán)境下800°C燒結(jié)7h，然后將燒結(jié)好的 粉末再次研磨，30MPa靜壓力壓成30 X 4mm的圓片，在電爐中燒結(jié)8h制成；(2)將(Bi2O3)H(Y2O3)j^E材固定在脈沖激光薄膜沉積系統(tǒng)的靶臺(tái)上，并將襯底固 定在襯底臺(tái)上；所使用的激光器為相干公司生產(chǎn)的脈沖激光器系統(tǒng)，沉積室和真空系統(tǒng)為 北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)；(3)將真空抽到0. OOlPa以下，向生長(zhǎng)室內(nèi)充入氧氣，并調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量和機(jī)械泵 抽氣量使氧氣壓維持在90Pa ；(4)加熱襯底，使襯底溫度維持在500°C ；(5)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器，將光束聚焦到靶材上，開始薄膜沉積，3Hz沉積20min 后關(guān)閉激光器，結(jié)束沉積過程。得到的(Bi2O3UY2O3)x固體電解質(zhì)薄膜呈現(xiàn)出δ -B2O3固體電解質(zhì)相，且為單相， 并且薄膜的厚度為500nm。實(shí)施例7基于(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)性記憶元件的制備
(1)在Si襯底上用磁控濺射法沉積一層Pt，厚度IOOnm ；(2) (Bi2O3) ^(Y2O3)jJE材由 Bi2O3 和 Y2O3 粉末燒結(jié)而成將 70%mol 的 Bi2O3和 30% mol的Y2O3粉末混合研磨，將研磨好的混合物在空氣環(huán)境下800°C燒結(jié)7h，然后將燒結(jié)好的 粉末再次研磨，30MPa靜壓力壓成30 X 4mm的圓片，在電爐中燒結(jié)8h制成；(3)將(Bi2O3)H(Y2O3)j^E材固定在脈沖激光薄膜沉積系統(tǒng)的靶臺(tái)上，并將襯底固 定在襯底臺(tái)上；所使用的激光器為相干公司生產(chǎn)的脈沖激光器系統(tǒng)，沉積室和真空系統(tǒng)為 北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)，所述設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示；(4)將真空抽到0. OOlPa以下，向生長(zhǎng)室內(nèi)充入氧氣，并調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量和機(jī)械泵 抽氣量使氧氣壓維持在90Pa ；(5)加熱襯底，使襯底溫度維持在500°C ；(6)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器，將光束聚焦到靶材上，開始薄膜沉積，3Hz沉積20min 后關(guān)閉激光器，結(jié)束沉積過程；得到厚度為500nm的(Bi2O3) ^x (Y2O3) x薄膜。
(7)利用掩模板利用脈沖激光沉積技術(shù)在(Bi2O3) H(Y2O3)J^膜上沉積一系列直徑 0. 3mm的圓形Cu電極；(8)從Pt電極和Cu電極上分別引出一條引線，制得非揮發(fā)性記憶元件。實(shí)施例8基于(Bi2O3)H(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)性記憶元件的制備(1)在Si襯底上用磁控濺射法沉積一層Pt，厚度IOOnm ；(2) (Bi2O3) ^(Y2O3)jJE材由 Bi2O3 和 Y2O3 粉末燒結(jié)而成將 70% mol 的 Bi2O3和 30% mol的Y2O3粉末混合研磨，將研磨好的混合物在空氣環(huán)境下800°C燒結(jié)7h，然后將燒結(jié)好的 粉末再次研磨，30MPa靜壓力壓成30 X 4mm的圓片，在電爐中燒結(jié)8h制成；(3)將(Bi2O3)H(Y2O3)j^E材固定在脈沖激光薄膜沉積系統(tǒng)的靶臺(tái)上，并將襯底固 定在襯底臺(tái)上；所使用的激光器為相干公司生產(chǎn)的脈沖激光器系統(tǒng)，沉積室和真空系統(tǒng)為 北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)，所述設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示；(4)將真空抽到0. OOlPa以下，向生長(zhǎng)室內(nèi)充入氧氣，并調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量和機(jī)械泵 抽氣量使氧氣壓維持在90Pa ；(5)加熱襯底，使襯底溫度維持在500°C ；(6)啟動(dòng)KrF準(zhǔn)分子激光器，將光束聚焦到靶材上，開始薄膜沉積，3Hz沉積20min 后關(guān)閉激光器，結(jié)束沉積過程；得到厚度為500nm的(Bi2O3) ^x (Y2O3) x薄膜。(7)利用掩模板利用脈沖激光沉積技術(shù)在(Bi2O3) H(Y2O3)J^膜上沉積一系列直徑 0. 3mm的圓形Ag電極；(8)最后從Pt電極和Cu電極上分別引出一條引線，制得非揮發(fā)性記憶元件。性能測(cè)試對(duì)本發(fā)明的基于固體電解質(zhì)(Bi2O3UY2O3)x薄膜的非揮發(fā)性記憶元件進(jìn)行一系 列性能的測(cè)試，所述測(cè)試都是在使用KEITHLEY 2601數(shù)字源表(購自美國(guó)吉時(shí)利儀器公 司)、探針臺(tái)，利用兩端法測(cè)量的，所述測(cè)試包括本發(fā)明的非揮發(fā)性記憶元件的電流-電壓 特性測(cè)試、在脈沖作用下電阻轉(zhuǎn)變的測(cè)試、不同電阻狀態(tài)下的電阻隨時(shí)間變化的測(cè)試以及 在500°C溫度下的電流-電壓特性測(cè)試，其結(jié)果顯示于圖4、圖5、圖6和圖7中。在記憶元件的頂電極和底電極之間施加一個(gè)超過某一閾值的電壓會(huì)使元件的電 阻突然降低。這個(gè)時(shí)候重新從零開始施加電壓，當(dāng)電壓超過某一閾值的時(shí)候電阻再次回到比較高的狀態(tài)。圖4顯示了該記憶元件對(duì)電壓的響應(yīng)?？梢钥吹綇腶點(diǎn)到13點(diǎn)，元件呈現(xiàn) 高電阻狀態(tài)。當(dāng)電壓超過閾值b點(diǎn)后電阻迅速下降，元件呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)。再次施加電壓， 可以看到從c到d的過程中元件處于低電阻狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)閾值d以后電阻突然增大，元件恢 復(fù)到高電阻狀態(tài)。這一測(cè)試表明該元件具有電阻記憶效應(yīng)，其高低電阻比值接近104。該元件具有的電阻記憶效應(yīng)，完全可以完成存儲(chǔ)器的“保持”、“寫入”和“擦除”功 能。把高電阻狀態(tài)定義為“0”，把低電阻狀態(tài)定義為“1”。圖5顯示了該記憶元件在交替的 寫入和擦除脈沖下的響應(yīng)。寫入脈沖電壓高于擦除脈沖，同時(shí)寫入脈沖需要附加一個(gè)飽和 電流限制，寫入和擦除脈沖的極性可以相同也可以不同。由圖可見，在寫入和擦除脈沖的交 替作用下，元件電阻在高電阻狀態(tài)和低電阻狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。圖6表明在40000秒的時(shí)間內(nèi)高低阻態(tài)仍然保持了至少IO3的比例。以上結(jié)果表 明該記憶元件完全具有非揮發(fā)記憶功能。圖7表明根據(jù)本發(fā)明的基于固體電解質(zhì)(Bi2O3)H(Y2O3)x薄膜的非揮發(fā)性記憶元 件穩(wěn)定，對(duì)于不同的溫度條件不敏感。綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的基于固體電解質(zhì)(Bi2O3) h (Y2O3) x薄膜的非揮發(fā)性記憶元 件的讀出電壓遠(yuǎn)低于擦除和寫入電壓，所以可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非破壞性讀出。并且其僅具有 兩條外部引線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工的優(yōu)點(diǎn)。由于該元件是利用材料內(nèi)絲導(dǎo)電通道的 斷開和閉合來存儲(chǔ)信息，信息的保持不用能量來維持，所以具有非揮發(fā)性、能量消耗低的優(yōu) 點(diǎn)。該元件在500°C的溫度下仍然保持良好的電流-電壓特征，因此具有穩(wěn)定，對(duì)于不同的 溫度條件不敏感的優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)參照具體實(shí)施方式
詳細(xì)地描述了本發(fā)明，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)理解 的是，上述具體實(shí)施方式
不應(yīng)該被理解為限定本發(fā)明的范圍。因此，在不脫離本發(fā)明精神和 范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案作出各種改變和改進(jìn)。
權(quán)利要求
一種基于(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)性記憶元件，其特征在于，所述非揮發(fā)性記憶元件包括襯底、底電極、(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜、頂電極和兩條引線，其中(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜夾在底電極和頂電極之間，底電極位于襯底上，兩條引線分別由底電極和頂電極引出，并且(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜中x的取值范圍為0.25＜x＜0.43。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性記憶元件，其特征在于，所述元件的厚度為 10-1000nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非揮發(fā)性記憶元件，其特征在于，所述襯底為無機(jī)非金屬 材料，該無機(jī)非金屬材料優(yōu)選選自玻璃、陶瓷、硅和被二氧化硅薄層覆蓋的硅中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的非揮發(fā)性記憶元件，其特征在于，所述底電極為 不活潑金屬，優(yōu)選為鉬或金，其厚度為lOnm-lOOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的非揮發(fā)性記憶元件，其特征在于，所述 (BiAUYA),固體電解質(zhì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為單相晶體結(jié)構(gòu)，且(Bi^UYA),固體電解 質(zhì)薄膜的厚度為400-600nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的非揮發(fā)性記憶元件，其特征在于，所述頂電極為 容易與氧發(fā)生反應(yīng)的金屬，優(yōu)選為銅、銀或鈦，其厚度為lOnm-lOOnm。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的非揮發(fā)性記憶元件的制備方法，其特征在 于，所述方法包括以下步驟(a)在襯底上利用磁控濺射、脈沖激光沉積或離子束沉積的方法沉積底電極；(b)在底電極上利用脈沖激光沉積 “(^^^(^^固體電解質(zhì)薄膜，任選地，在薄膜沉 積結(jié)束后，將(Bi^UtO^固體電解質(zhì)薄膜加熱到600-800°C，在原位退火5-15分鐘；(c)在(Bi203)h(Y203)x固體電解質(zhì)薄膜上利用磁控濺射、脈沖激光沉積或離子束沉積 的方法沉積頂電極；和(d)由頂電極和底電極分別接出引線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述襯底為無機(jī)非金屬材料，該無機(jī)非金 屬材料優(yōu)選選自玻璃、陶瓷、硅和被二氧化硅薄層覆蓋的硅中的一種；所 述底電極為不活潑 金屬，優(yōu)選為鉬或金；所述頂電極為容易與氧發(fā)生反應(yīng)的金屬，優(yōu)選為銅、銀或鈦。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在所述方法的步驟(b)還包括利用脈沖激 光聚焦到(Bi203) h (Y203) x靶材上來沉積(Bi203) h (Y203) x固體電解質(zhì)薄膜，其中所述靶材是 將Bi203粉末和Y203粉末混合燒結(jié)制備的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述脈沖激光沉積 (Bi203) i-x(Y203)x固體電解質(zhì)薄膜的條件為氧氣壓50-100Pa，溫度300-500°C ；所述Bi203粉 末和Y203粉末以摩爾比6 4-3 1混合，且燒結(jié)溫度為600-1000°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)性記憶元件，所述非揮發(fā)性記憶元件包括襯底、底電極、(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜和頂電極，其中(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜夾在底電極和頂電極之間，底電極位于所述襯底上，兩條引線分別由底電極和頂電極引出，并且(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜中x的范圍為0.25＜x＜0.43。該非揮發(fā)性記憶元件的厚度為10-1000nm。其中的(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜是利用脈沖激光照射(Bi2O3)1-x(Y2O3)x靶材沉積而成，所述靶材是將Bi2O3粉末和Y2O3粉末混合燒結(jié)制備的。本發(fā)明的基于(Bi2O3)1-x(Y2O3)x固體電解質(zhì)薄膜的非揮發(fā)性記憶元件具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有非揮發(fā)記憶功能、低能耗、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，并且它的性能對(duì)氧氣壓，溫度，和化學(xué)計(jì)量比等制備條件不敏感。
文檔編號(hào)C01G29/00GK101834272SQ200910079449
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者史磊, 孫繼榮, 尚大山, 沈保根, 趙同云 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所