一種稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器及其制作方法
【專利摘要】一種稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器，包括底電極、頂電極以及位于底電極和頂電極之間的阻變存儲層材料，所述阻變存儲層材料由一層稀土氧化物薄膜構(gòu)成，在可見光區(qū)具有接近100％的透過率。其制作方法包括以下步驟：(1)透明襯底的清洗；(2)在透明襯底上制作底電極；(3)利用物理氣相沉積技術(shù)在底電極上沉積稀土氧化物薄膜；(4)利用光學(xué)曝光技術(shù)形成頂電極圖形，制作頂電極。本發(fā)明的全透明阻變存儲器具有高透光率、存儲密度高、存儲穩(wěn)定好、免電激活等優(yōu)點(diǎn)，在透明電子的非易失性存儲領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景；其制作方法簡單、成本低。
【專利說明】—種稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器及其制作方法，屬于半導(dǎo)體非易失性存儲器【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]對可見光全透過的電子元器件由于具有廣闊的技術(shù)和市場前景而引發(fā)廣泛的關(guān)注。寬禁帶材料用于透明晶體管的制作已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。然而，為了實(shí)現(xiàn)集成電路的全透明化，還需要將集成電路中的存儲器件實(shí)現(xiàn)全透明化。盡管目前可將基于晶體管結(jié)構(gòu)的電荷存儲器件實(shí)現(xiàn)全透明化，但是由于基于電荷存儲的存儲器面臨等比例縮小所帶來的電荷泄露的物理瓶頸以及存儲速度存儲密度已經(jīng)不能滿足未來嵌入式存儲在移動終端的應(yīng)用。
[0003]這一系列問題使得更多的研究者將目光轉(zhuǎn)向利用高低電阻態(tài)區(qū)分邏輯“O” (高阻態(tài))、“1”(低阻態(tài))的阻變存儲器。這種阻變存儲器具有結(jié)構(gòu)簡單，存儲密度高，讀寫速度快，功耗低，并且與目前制作集成電路的CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。其器件結(jié)構(gòu)為電極(金屬或?qū)щ娧趸镆约捌渌麑?dǎo)電材料)_存儲層(絕緣體/半導(dǎo)體)_電極(金屬或?qū)щ娧趸镆约捌渌麑?dǎo)電材料)結(jié)構(gòu)，在用于透明存儲器件中，只需實(shí)現(xiàn)其電極與存儲層透明就可以實(shí)現(xiàn)整個存儲器件的全透明。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)這種阻變存儲對可見光的全透過并且不影響其存儲能力和存儲密度，對于存儲功能層材料的要求是其光學(xué)帶隙大于3.1eV0稀土氧化物材料由于其在微電子領(lǐng)域的高介電常數(shù)介質(zhì)材料中的潛在應(yīng)用而獲得廣泛的研究。研究表明，稀土氧化物具有較好的化學(xué)與熱力學(xué)穩(wěn)定性，其較大的禁帶寬度適用于作為透明薄膜材料，并且研究發(fā)現(xiàn)，其作為阻變存儲的阻變功能層材料具有優(yōu)異的電學(xué)性能表現(xiàn)。
[0005]石墨烯是由Sp2雜化碳原子相互連接構(gòu)成的，是一種具有六方點(diǎn)陣蜂窩狀結(jié)構(gòu)的新型的二維材料，其高的載流子遷移率和光透過率以及可以預(yù)見的碳材料的低成本，使得其在透明電子領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。氧化銦錫是目前主流的用于透明電極的材料。將氧化銦錫與石墨烯用作電極材料以及稀土氧化物用作存儲材料的阻變存儲器將是一種非常優(yōu)秀的透明存儲器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種稀土氧化物作為存儲層的透明阻變存儲器，是一種基于電極-存儲層-電極結(jié)構(gòu)的阻變存儲器。該阻變存儲器整體透明，電阻轉(zhuǎn)變穩(wěn)定，能適用于透明集成電路中的存儲部件。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述透明阻變存儲器的制造方法。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]一種稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器，包括底電極、頂電極以及位于底電極和頂電極之間的阻變存儲層材料，所述阻變存儲層材料由一層稀土氧化物薄膜構(gòu)成，在可見光區(qū)具有接近100%的透過率。
[0010]所述底電極材料為氧化銦錫(ITO)或者石墨烯(graphene)。
[0011]所述頂電極材料為氧化銦錫(ITO)或者石墨烯(graphene)。
[0012]當(dāng)?shù)纂姌O或頂電極的材料為氧化銦錫時，構(gòu)成電極的氧化銦錫薄膜的厚度為100 ?300nmo
[0013]所述稀土氧化物為氧化釓(Gd2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鏑(Dy2O3)或氧化镥(Lu2O3)，該些稀土氧化物均具有較寬的禁帶寬度，其中氧化釓的禁帶寬度為5.3eV，氧化鑭的禁帶寬度為6eV，氧化鏑的禁帶寬度為4.8eV，氧化镥的禁帶寬度為5.5eV。
[0014]所述稀土氧化物薄膜的厚度為30?200nm。
[0015]一種所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器的制造方法，包括以下步驟:
[0016](I)透明襯底的清洗；
[0017](2)在透明襯底上制作底電極；
[0018](3)利用物理氣相沉積技術(shù)在底電極上沉積稀土氧化物薄膜；
[0019](4)利用光學(xué)曝光技術(shù)形成頂電極圖形，制作頂電極。
[0020]當(dāng)?shù)纂姌O材料選擇氧化銦錫時，利用物理氣相沉積技術(shù)在透明襯底上沉積氧化銦錫底電極，厚度為100?300nm ;當(dāng)?shù)纂姌O材料選擇石墨烯時，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在銅箔上面生長石墨烯，然后轉(zhuǎn)移到透明襯底上形成底電極，石墨烯底電極由I?10層單層石墨稀置加而成。
[0021]當(dāng)頂電極材料選擇氧化銦錫時，利用光學(xué)曝光技術(shù)在稀土氧化物薄膜上做出頂電極圖形，然后利用物理氣相沉積技術(shù)沉積氧化銦錫頂電極，厚度為100?300nm ;當(dāng)頂電極材料選擇石墨烯時，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在銅箔上面生長石墨烯，然后將石墨烯轉(zhuǎn)移到稀土氧化物薄膜上，利用光學(xué)曝光技術(shù)做出頂電極圖形，再用氧氣刻蝕掉無光刻膠覆蓋的石墨烯，去膠得到石墨烯頂電極，石墨烯頂電極由I?10層單層石墨烯疊加而成。
[0022]所述的透明襯底為石英玻璃，主要起到支撐整個器件的作用并且不影響器件的透光率。
[0023]在本發(fā)明全透明阻變存儲器的制造方法中，所利用的物理氣相沉積技術(shù)優(yōu)選為磁控濺射或脈沖激光沉積技術(shù)。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0025]本發(fā)明的全透明阻變存儲器在透明底電極氧化銦錫或者石墨烯上面之間沉積一種稀土氧化物薄膜材料，然后在稀土氧化物薄膜上面做出氧化銦錫或者石墨烯頂電極，由于稀土氧化物薄膜具有高的可見光透過率和免激活特性，所以制造出的透明存儲器件具有免電激活、透光率高、存儲密度高、存儲穩(wěn)定好、高的耐久性、低的操作電壓、好的數(shù)據(jù)保持等優(yōu)點(diǎn)，在透明電子的非易失性存儲領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。
[0026]本發(fā)明的全透明阻變存儲器具有制作方法簡單、成本低并且與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容相兼容等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的全透明阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為本發(fā)明的石墨烯頂電極的全透明阻變存儲器的制作流程示意圖。
[0029]圖3為本發(fā)明的全透明阻變存儲器的制作流程示意圖。
[0030]圖4 為實(shí)施例1 所制作的 Graphene (51ayers) / Dy2O3 (50nm) / IT0(200nm)原型阻變存儲器器件的光學(xué)透射率曲線。
[0031]圖5 為實(shí)施例1 所制作的 Graphene (51ayers) / Dy2O3 (50nm) / IT0(200nm)原型阻變存儲器器件的開關(guān)特性測試曲線。
[0032]圖6 為實(shí)施例1 所制作的 Graphene (51ayers) / Dy2O3 (50nm) / IT0(200nm)原型阻變存儲器器件的耐久性測試曲線。
[0033]圖7 為實(shí)施例1 所制作的 Graphene (51ayers) / Dy2O3 (50nm) / IT0(200nm)原型阻變存儲器器件的數(shù)據(jù)保持能力測試曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0034]以下用實(shí)施例對本發(fā)明的方法及其應(yīng)用作進(jìn)一步說明。
[0035]如圖1所示，本發(fā)明的全透明阻變存儲器是一種基于稀土氧化物作為存儲層薄膜材料的非易失性阻變存儲器，其最下端是襯底101，襯底101用于支撐整個阻變存儲器結(jié)構(gòu)；在襯底101上沉積底電極102 ;在底電極102上面沉積一層稀土氧化物薄膜103，在稀土氧化物薄膜104上面沉積頂電極104。
[0036]如圖2所示，為本發(fā)明以石墨烯為頂電極的阻變存儲器的制作流程示意圖，包括:
[0037]步驟201:在透明襯底上面利用物理氣相沉積技術(shù)沉積ITO底電極或者轉(zhuǎn)移化學(xué)氣相沉積法制作的石墨烯底電極；
[0038]步驟202:利用物理氣相沉積技術(shù)在底電極上沉積稀土氧化物薄膜作為阻變存儲層薄膜材料；
[0039]步驟203:在稀土氧化物薄膜上轉(zhuǎn)移化學(xué)氣相沉積技術(shù)制作的石墨烯；
[0040]步驟204:利用光學(xué)曝光技術(shù)在石墨烯上做出頂電極圖形。
[0041]步驟205:利用刻蝕技術(shù)，將未被光刻膠遮蓋住的石墨烯刻掉。
[0042]步驟206:去除光刻膠，獲得具有需要圖形的石墨烯頂電極。
[0043]如圖3所示，為本發(fā)明具有稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器的制作流程示意圖，包括:
[0044]步驟301:襯底清洗，襯底可以為石英玻璃等透明襯底，主要起到支撐整個器件的作用；
[0045]步驟302:利用物理氣相沉積技術(shù)在襯底上沉積ITO底電極；或者利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在銅箔上面生長石墨烯，將沉積的石墨烯轉(zhuǎn)移到透明襯底上。
[0046]步驟303:利用物理氣相沉積技術(shù)在底電極上沉積稀土氧化物薄膜作為阻變存儲層材料；
[0047]步驟304:利用物理氣相沉積技術(shù)在稀土氧化物薄膜上沉積ITO頂電極；或者利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)以及光學(xué)曝光技術(shù)，將沉積的石墨烯轉(zhuǎn)移到稀土氧化物薄膜上。
[0048]實(shí)施例1
[0049]按照圖3中所示的制作流程制作一種稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器具體包括如下步驟:
[0050]步驟301:襯底清洗，襯底為石英玻璃，主要起到對可見光透明并且支撐整個器件的作用。
[0051]步驟302:利用磁控濺射技術(shù)在襯底上沉積ΙΤ0，形成底電極，厚度為200nm。
[0052]步驟303:利用磁控濺射技術(shù)在底電極上面沉積稀土氧化物Dy2O3阻變功能層材料，沉積前，腔室真空度在5X10_5Pa ;沉積過程中，腔室氣壓保持在3Pa，氧分壓(O:Ar+0)控制在0.1%?5%，稀土氧化物阻變功能層材料的沉積厚度為50nm。
[0053]步驟304:將利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積的單層石墨烯通過光學(xué)曝光，刻蝕，轉(zhuǎn)移到稀土氧化物薄膜上。單層石墨烯轉(zhuǎn)移5次獲得5層的多層石墨烯頂電極。
[0054]分別測定得到的透明阻變存儲器件的光學(xué)透射率、開關(guān)特性、耐久性、數(shù)據(jù)保持能力等特性，數(shù)據(jù)如圖4?7所示。
[0055]圖4 為實(shí)施例1 所制作的 Graphene (51ayers) / Dy2O3 (50nm) / IT0(200nm)原型阻變存儲器器件的光學(xué)透射率曲線。由圖可以看出在可見光波長范圍內(nèi)(380?780nm)，器件的光學(xué)透過率大于80%。整個器件表現(xiàn)出了較高的光學(xué)透過率，完全滿足透明器件的需求。
[0056]圖5 為實(shí)施例1 所制作的 Graphene (51ayers) / Dy2O3 (50nm) / IT0(200nm)原型阻變存儲器器件的開關(guān)特性測試曲線。其中X軸為電壓，Y軸為電流。如圖所示，當(dāng)對頂電極從OV開始施加電壓時，存儲單元表現(xiàn)為低阻態(tài)，當(dāng)電壓達(dá)到0.2V左右時，電流顯著下降，從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)。當(dāng)再次對頂電極從OV開始施加電壓時，存儲單元表現(xiàn)為高阻態(tài)，這說明此存儲單元為非揮發(fā)性，當(dāng)電壓達(dá)到0.42V左右時，電流顯著增加，從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)。本器件單元還可以用加載大小不同的脈沖電壓來擦寫該存儲器，并且本器件單元的轉(zhuǎn)變電壓電流都較低，是一種低功耗的存儲器件。
[0057]圖6 為實(shí)施例1 所制作的 Graphene (51ayers) / Dy2O3 (50nm) / IT0(200nm)原型阻變存儲器器件的耐久性測試曲線。從圖中可以看出，在經(jīng)過了 200次的擦寫后，器件單元高低電阻狀態(tài)并無明顯的變化，說明該阻變存儲器件單元具有良好的抗疲勞特性。
[0058]圖7 為實(shí)施例1 所制作的 Graphene (51ayers) / Dy2O3 (50nm) / IT0(200nm)原型阻變存儲器器件的數(shù)據(jù)保持能力測試曲線。從圖中可以看出，在室溫條件下，給器件單元一個在0.0lV的讀取電壓，其高低電阻狀態(tài)分別在10000s的時間下無明顯的衰退，表現(xiàn)出了優(yōu)異的非揮發(fā)性存儲狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器，包括底電極、頂電極以及位于底電極和頂電極之間的阻變存儲層材料，其特征在于:所述阻變存儲層材料由一層稀土氧化物薄膜構(gòu)成，在可見光區(qū)具有接近100%的透過率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器，其特征在于:所述底電極材料為氧化銦錫或石墨烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器，其特征在于:所述頂電極材料為氧化銦錫或石墨烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器，其特征在于:當(dāng)電極材料為氧化銦錫時，構(gòu)成電極的氧化銦錫薄膜的厚度為100?300nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器，其特征在于:所述稀土氧化物為Gd2O3、La2O3、Dy2O3或Lu2O3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器，其特征在于:所述稀土氧化物薄膜的厚度為30?200nm。
7.權(quán)利要求1?6中任一項(xiàng)所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器的制造方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)透明襯底的清洗； (2)在透明襯底上制作底電極； (3)利用物理氣相沉積技術(shù)在底電極上沉積稀土氧化物薄膜； (4)利用光學(xué)曝光技術(shù)形成頂電極圖形，制作頂電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器的制造方法，其特征在于:當(dāng)?shù)纂姌O材料選擇氧化銦錫時，利用物理氣相沉積技術(shù)在透明襯底上沉積氧化銦錫底電極，厚度為100?300nm ;當(dāng)?shù)纂姌O材料選擇石墨烯時，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在銅箔上面生長石墨烯，然后轉(zhuǎn)移到透明襯底上形成底電極，石墨烯底電極由I?10層單層石墨稀置加而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器的制造方法，其特征在于:當(dāng)頂電極材料選擇氧化銦錫時，利用光學(xué)曝光技術(shù)在稀土氧化物薄膜上做出頂電極圖形，然后利用物理氣相沉積技術(shù)沉積氧化銦錫頂電極，厚度為100?300nm ;當(dāng)頂電極材料選擇石墨烯時，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在銅箔上面生長石墨烯，然后將石墨烯轉(zhuǎn)移到稀土氧化物薄膜上，利用光學(xué)曝光技術(shù)做出頂電極圖形，再用氧氣刻蝕掉無光刻膠覆蓋的石墨稀，去I父得到石墨稀頂電極，石墨稀頂電極由I--ο層單層石墨稀置加而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的稀土氧化物作為存儲層的全透明阻變存儲器的制造方法，其特征在于:所述的透明襯底為石英玻璃。
【文檔編號】H01L45/00GK104425712SQ201310403536
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】趙鴻濱, 屠海令, 魏峰, 杜軍 申請人:北京有色金屬研究總院