1.本发明基于多种阻变介质的忆阻器及其制备方法介绍

1.本发明属于微电子技术和存储器件领域，具体涉及一种基于多阻介质的忆阻器及其制备方法。

背景技术：

2.传统晶体管只能在“0”和“1”两种电阻状态之间切换，无法满足高集成度和高​​速计算的IC产业需求。因此，迫切需要寻找可替代的多阻态新型存储器或计算单元器件。忆阻器的出现给业界带来了新的希望。这是一种新型纳米器件，其电阻与流过的电荷有关，具有非易失性，可同时实现存储和计算功能。基于忆阻器的随机存取存储器在集成度、功耗、读写速度等方面均优于传统的随机存取存储器，在信息存储、混沌电路、存储计算集成芯片、人工神经网络等领域具有广阔的应用前景。许多其他方向。

3.目前研究较多的忆阻器结构一般由金属电极/电阻介质/金属电极三部分组成。其中，电阻介质一般为氧化物材料。在外加电场的驱动下，空位的形成和迁移可以实现导电丝的形成和断开，完成高低阻态甚至多阻态之间的连续可逆转换。如果要进一步实现多值存储，对设备多电阻状态的稳定性和一致性提出了更高的要求。

4.上述夹层结构的电阻状态主要由中间阻变介质层的材料决定。目前比较受关注的忆阻材料是二氧化钛，因为二氧化钛富含氧空位缺陷。此外，稀土氧化物，如hfox、taox、irox等也是最近研究的忆阻材料，均具有丰富的氧空位缺陷。

5.但是，单一材料在器件多阻态的控制上具有一定的随机性，随着时间的推移，其多阻态的可靠性不可避免地会受到以下因素的影响。重大变化，难以保证数据的可靠读取。

技术实施要素：

6.本发明的目的是提出一种基于多种电阻介质的忆阻器及其制备方法。通过构建新的结构，可以实现融合多种忆阻材料的稳定多阻态忆阻器。电阻装置设计。

7.为了解决上述问题，本发明提供一种忆阻器，该忆阻器包括上电极、电阻介质层和下电极，电阻介质层包括二氧化钛和稀土氧化物；在阻性介质层的截面上，阻性介质层的结构为条状二氧化钛和条状稀土氧化物相互间隔的网格状结构。或者，在阻性介质层的截面上，阻性介质层的结构是稀土氧化物以晶格镶嵌的形式分布在二氧化钛中。

8.优选地二氧化钛溶胶的制备，稀土氧化物的材料为hfox、taox或irox，或至少两种的混合物。

9. 优选地，上电极和下电极的厚度为80-100nm；电阻介质层的厚度为50-100 nm。

10.本发明还提供了一种忆阻器的制备方法，包括：

11.步骤s1：在下电极上制备二氧化钛薄膜；

12.步骤s2：在二氧化钛薄膜上制备图案化金属层，图案化金属层呈条状网格状或未被图案化金属层覆盖的区域在格子的形状；

13.步骤s3：以图案化金属层为掩模，通过反应离子刻蚀将二氧化钛薄膜刻蚀至下电极；

14.步骤s4：沉积稀土氧化物层，稀土氧化物层的厚度与二氧化钛薄膜的厚度相同；

15.步骤s5：去除图案化金属层及其上方的稀土氧化物，形成以二氧化钛为第一电阻介质，稀土氧化物为第二电阻介质的电阻介质层；

16.步骤s6：在阻性介质层上沉积上电极，得到忆阻器。

17. 优选地，步骤s1中，采用溶胶-凝胶法在下电极上制备二氧化钛薄膜，二氧化钛薄膜的厚度为50-100nm。

18. 优选地，步骤s3中采用反应离子刻蚀法刻蚀二氧化钛薄膜的过程中通入氧气。

19. 优选地，所述下电极为常温下不溶于王水的电极。步骤s5包括：将步骤s4得到的结构在室温下浸入王水中5-30s，使图案化金属层及其上方的稀土氧化物自然剥离。

20. 优选地，所述稀土氧化物层的材料为hfox、taox或irox，或它们中至少两种的混合物。

21. 优选地，步骤s2中图案化金属层的厚度为30-50nm，该图案化金属层的制备方法为热蒸镀、物理气相沉积、化学气相沉积或光刻。

22. 优选地，步骤s0还包括在步骤s1之前，步骤s0包括清洗硅衬底表面，清洗后用氮气枪干燥，然后使用热蒸发、物理气相沉积或化学气相沉积法在硅衬底上生长下电极。

23.本发明的有益效果在于，

24.(1)本发明提出的基于二氧化钛和稀土氧化物的忆阻器结构使得忆阻器器件基于两种材料至少具有4个电阻态，甚至更多多电阻态克服了基于单一材料的忆阻器件电阻态不稳定、鲁棒性差的问题。

25.(2)本发明提出的忆阻器结构具有两个垂直集成的导电通道，钛氧化物和稀土氧化物，导电丝在相对独立的空间内导通和截止. 导电灯丝具有更好的稳定性和更低的漏电流。

26.(3)本发明提出的忆阻器的制备方法简单，成本低。该制备工艺赋予二氧化钛介质较高的氧空位浓度，导电丝更容易形成，并且器件表现出更快的开关速度。

27.(4)介电层的二次沉积使二氧化钛和稀土氧化物的末端有一定程度的突起。这些凸起的结构可以引导导电细丝的形成, 可导致导电丝的形成。在此过程中，以引导的方式形成稳定可靠的导电通道，从而大大提高了器件的均匀性。

图纸说明

28.图1是忆阻器的结构示意图；

29.图2是电阻介质层的两种结构示意图；

30. 图。图3显示了忆阻器的制作方法。

具体实现方法

31.下面结合附图并通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

32.如图所示。参照图1，本发明提出了一种基于两种或多种电阻开关介质的忆阻器。忆阻器包括上电极10、阻变介质层和下电极20，阻变介质层包括二氧化钛31和稀土氧化物32。

33.在一个实施例中，电阻介质层的结构如图1所示。图2(a)，在电阻介质层的横截面上，

条状二氧化钛31和条状稀土氧化物32相互隔开的格子状结构。电阻介质层的厚度优选为50-100nm。

34.在另一实施例中，阻性介电层的结构如图3所示。如图2(b)所示，在阻性介质层的截面上，稀土氧化物32以晶格结构镶嵌，分布在二氧化钛31中。值得一提的是，稀土氧化物32形成的晶格结构并不限于图1所示的结构。 2（乙）。

35.稀土氧化物32由hfox、taox或irox或它们中的至少两种的混合物制成。当稀土氧化物32为混合物时，可以引入更多的电阻态。

36. 上电极10的厚度优选为80-100nm。下电极20的厚度优选为80-100nm。

37.可以采用本领域技术人员基于已知加工制造技术的制备方法来制造上述忆阻器。本发明提出了上述忆阻器的优选制备方法，如图1所示。 3、制备方法包括：

38.步骤s1，在下电极上制备二氧化钛薄膜。二氧化钛薄膜的厚度优选为50-100nm。

39.下电极为单层金属电极，常温下极不溶于王水，如w、ti、mo、ta、re、os、ir、rh、ag 或其他电极在室温下不溶于王水双层金属复合电极和导电金属氧化物电极。

40.在一个实施例中，通过溶胶-凝胶法在下电极上制备二氧化钛薄膜，溶胶-凝胶法制备的二氧化钛薄膜具有较多的氧空位缺陷。具体步骤为：在下电极上以3000rpm旋转30s，浓度为0.5mol

·

l-1

双(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯溶胶

在350°C下退火30分钟以获得致密的二氧化钛薄膜。值得一提的是，TiO2薄膜的厚度可以通过多次旋涂来调节。此外，二氧化钛的晶型可以通过控制退火温度来改变其电阻状态。

41.在其他实施例中，二氧化钛薄膜还可以通过原子层沉积、物理气相沉积或化学气相沉积等方法制备。

42.在一个实施例中，步骤s0在步骤s1之前还包括步骤s0，步骤s0具体包括清洗硅衬底表面，清洗后用氮气枪烘干，然后使用热蒸发，通过物理气相沉积或化学气相沉积等方法在硅衬底上生长下电极。下电极的厚度优选为80-100nm。

43.在步骤s2中二氧化钛溶胶的制备，在二氧化钛薄膜上制备图案化金属层，图案化金属层为条状网格形状，或未被图案化金属层覆盖的区域。是格子的形状。图案化金属层优选为30-50nm的图案化金层。

44.可选地，图案化金属层可以通过热蒸发、物理气相沉积、化学气相沉积或光刻法制备。上述图案化金属层的制备方法均为本领域公知，在此不再赘述。

45.步骤s3，以图案化金属层为掩模，通过反应离子刻蚀将二氧化钛薄膜刻蚀至下电极，形成金属/二氧化钛阵列。

46.利用金属与二氧化钛对蚀刻气体反应的差异，以图案化的金属层为掩膜，优先蚀刻反应性二氧化钛，形成金属/二氧化钛阵列。

47.在一个实施例中，在反应离子刻蚀法刻蚀二氧化钛薄膜的过程中引入氧气，有利于提高二氧化钛中氧空位的浓度，使导电细丝更容易形成，器件表现出更快的开关速度。

48.步骤s4，在金属/二氧化钛阵列上沉积稀土氧化物层，稀土氧化物层的厚度与二氧化钛相同，使稀土氧化物完全填满空隙蚀刻二氧化钛薄膜后形成。稀土氧化物层的材料为hfox、taox或irox，或其中至少两种的混合物。值得一提的是，当稀土氧化物层为混合物时，可以引入更多的电阻态。

49.可选地，稀土氧化物层可以通过热蒸发、物理气相沉积或化学气相沉积来制备。

50.步骤s5，去除图案化金属层及其上方的稀土氧化物，形成以二氧化钛为第一电阻介质，稀土氧化物为第二电阻介质的电阻介质层。

51.在一个实施例中，去除图案化金属层及其上方的稀土氧化物的具体步骤包括：将步骤s4得到的结构在王水中室温浸泡5-30s，制成图案上的金属化层和稀土氧化物自然剥落。

52.通过王水的方法对介质层的二次沉积和图案化金属层及其上方的稀土氧化物的去除，使二氧化钛和稀土氧化物的末端具有一定程度的突起。凸起结构可以引导导电丝的形成，在器件的导通过程中以引导的方式形成稳定可靠的导电通道，从而大大提高器件的均匀性。

53.步骤s6，在阻性介质层上沉积上电极，得到忆阻器器件。

54.上电极为单层金属电极，如w、al、cu、au、ag、pt、ru、ti、ta等；或双层金属复合电极，如pt/ti、cu/au、au/cr、cu/al等；或导电金属氧化物电极，如tin、tan、ito、izo等。上电极的厚度优选为80-100nm。

55.可选地，上电极可以通过热蒸发、物理气相沉积或化学气相沉积来制备。

56. 以上结合具体实施例对本发明的技术原理进行了描述。这些描述仅用于解释本发明的原理，不应以任何方式理解为限制本发明的保护范围。基于此处的说明，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，能够想到本发明的其他具体实施例，这些方法都属于本发明的保护范围。