一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器及其制备方法和应用

1.本发明属于微电子技术领域，涉及一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.对于当今的忆阻器，高灵敏度，高稳定性，快速读取模式至关重要。具有连续电场可控电阻状态的基于铁电隧道结(ftj)的忆阻器被认为是高密度存储器和先进的神经形态计算架构的有希望的候选者。目前，相关的研究并不成熟，主要的原因是铁电隧道结中传统的铁电薄膜材料当其尺寸降低到纳米尺度时，由于受到表面效应以及尺寸效应等的影响,其居里温度和极性大小会随着薄膜厚度的减小而降低，当铁电薄膜厚度低于某个临界值时,铁电性就会消失或者极化会由面外转变为面内。而且由于两端电极和中心区界面处的电荷累积导致的退极化效应，铁电层不能做得太薄，导致这类铁电隧道结难以满足器件尺寸最小化的要求。
4.同时，现有的铁电隧道结忆阻器速度慢，隧道电阻小，难以满足对于高速、低电压介导的忆阻器的要求。传统的制备铁电隧道结忆阻器的方法，过程复杂，并且无法减小器件厚度，难以获得小尺寸器件。因此，如何减小忆阻器的尺寸，降低器件厚度，同时，提高隧道电阻和速度，获得低电压介导的忆阻器成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决目前铁电隧道结忆阻器速度慢，隧道电阻小，器件厚度大等缺点，本发明提出了一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器及其制备方法和应用。利用两种不同的二维材料，并将它们形成垂直异质结，呈现出高速和低电压介导的忆阻器。
6.具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：
7.在本发明的第一方面，一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器，所述忆阻器包括:自下而上依次设置有基底、底部金电极层、异质结层；所述异质结层为cuinp2s6/mos2垂直异质结，作为介质层。
8.在本发明的第二方面，一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器的制备方法，包括：(1)、利用粘有cuinp2s6二维材料的金胶带，将cuinp2s6二维材料转移到有电极层的基底上，去除胶带；(2)、采用机械剥离法获得mos2二维材料，将mos2放到转移系统上，定向压到已有cuinp2s6的基底上，同时加热。
9.在本发明的第三方面，一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器和/或高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器的制备方法在微电子器件中的应用。
10.本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：
11.(1)、在搭建异质结时，电极、cuinp2s6(cips)和mos2在同一竖直结构处，电子除了横向流动之外，还可以在两种材料之间直接隧穿，保证忆阻器的隧道电阻更大，存储效果更好。
12.(2)、该忆阻器能够实现二维材料大隧道电阻的铁电隧道结，稳定性好，持久性强，成本低且制作工艺简单，可实现大规模生产，有极大的应用价值。
附图说明
13.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
14.图1：为实施例1的cips的拉曼光谱表征图；
15.图2：为实施例1的mos2的拉曼光谱表征图；
16.图3：为实施例1的cips/mos2异质结的铁电隧道结的电压-电流特性；
17.图4：为实施例1的cips/mos2异质结的铁电隧道结的工艺制备流程图。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
19.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
20.目前，传统的忆阻器速度慢，隧道电阻小，器件厚度大，为此，本发明提供了一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器及其制备方法和应用。
21.在本发明的一种或多种实施例中，一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器，所述忆阻器包括:自下而上依次设置有基底、底部金电极层、异质结层；所述异质结层为cuinp2s6/mos2垂直异质结，作为介质层。
22.cuinp2s6(cips)具有自发极化性高、相变温度低、铁电性稳定和与工业硅电子工艺兼容等优势。cips纳米片是一种典型的二维(2d)铁材料，在原子层厚度显示稳定的面外铁电性，并且cips层作为本征铁电材料，可以打破大多数铁电钙钛矿氧化物薄膜中出现的临界厚度限制，为得到尺寸最小化的忆阻器提供了可能。mos2含有一个钼原子和两个硫原子，在基于硅的半导体器件在纳米级上面临量子和隧穿效应时，它的独特的带隙和结构使其成为一种有希望替代石墨烯和其他半导体器件的材料。mos2从体结构到二维结构，显示出良好的电子和量子特性，在薄层结构中从一个间接的能隙转变为一个直接的带隙，钼和硫之间的共价键和层间的范德华尔键使之具有较小的接触电阻，即mos2具有良好的开关特性和高效率。cuinp2s6和mos2构成垂直异质结，能够发挥协同配合作用。cuinp2s6具有的自发铁电极化性质有利于mos2能带结构的调节，mos2有利于cuinp2s6铁电极化性能发挥作用，电子除了横向流动之外，还可以在两种材料之间直接隧穿，保证忆阻器的隧道电阻更大，存储效果
更好。
23.其中，所述基底选自285nmsio2基底、300nmsio2基底；优选的，为285nmsio2基底。进一步地，所述底部金电极层为金属电极cr/au，cr为20nm，au为60nm。
24.cuinp2s6和mos2构成垂直异质结，两者之间相互配合，发挥cuinp2s6对于减小尺寸的优势，通过在室温下保持稳定的铁电作用，能够极大的减小器件的尺寸，其中，所述电极层的厚度为80nm；或，所述异质结层的厚度为7-15nm，优选的，厚度为7-10nm。
25.在本发明的一种或多种实施例中，一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器的制备方法，包括：
26.(1)、利用粘有cuinp2s6二维材料的金胶带，将cuinp2s6二维材料转移到有电极层的基底上，去除胶带；
27.(2)、采用机械剥离法获得mos2二维材料，将mos2放到转移系统上，定向压到已有cuinp2s6的基底上，同时加热。
28.利用金胶带获得薄层cips二维材料，采用机械剥离法得到薄层二硫化钼二维材料；然后使用高精度二维材料转移系统，采用干法转移的方式形成异质结，结合已有的金属电极，得到了含有cips/mos2垂直异质结的忆阻器。这种制备方法具有工艺简单、经济实惠、方便快捷的优势。
29.步骤(1)中，所述金胶带的制备方法包括：在基底上镀金，用pmma溶液进行匀胶，贴上热释放胶带，处于120-200℃条件下恒温2-10min，撕下带有金膜的胶带就是所需的金胶带；进一步地，所述镀金的厚度为30-80nm，优选的，为50nm；进一步地，所述热释放胶带为正反双层离型膜。
30.在制备金胶带的过程中，控制旋涂pmma溶液时使用ez4小巧型匀胶机，1000r旋转5s，3000r旋转60s，形成均匀厚度的pmma膜，使热释放胶带和金膜之间的吸附力增强，得到形态完整的金胶带，如果旋涂不均匀则不能保证得到完整的金胶带去转移二维材料。
31.步骤(1)中，转移cuinp2s6二维材料的具体过程包括：
32.将粘有cuinp2s6二维材料的金胶带粘到基底上，按压，放到恒温中85-105℃，保温2-10min，观察到热释放胶带泛白；进一步地，去除金胶带的方法包括：放入去离子水中浸泡让热释放胶带脱落，然后依次放入丙酮、酒精和去离子水中浸泡去除聚乙烯吡咯烷酮，然后进行氧等离子体处理，最后进行碘化钾溶液浸泡，再用去离子水冲洗。
33.基底在使用前，都要经过清洗，乙醇超声30min，制作金胶带的基底尺寸为1cm
×
1cm，电极基底尺寸为0.8cm
×
0.8cm。通过该方法，能够实现cuinp2s6二维材料的均匀、稳定的转移，具有经济快速的作用。
34.去离子水浸泡时间为10～12h，后放入丙酮、酒精和去离子水中浸泡时间为各19-40min，氧等离子体处理时间为10-40s，碘化钾溶液浸泡时间为8-15h。通过该处理，能够清除杂质的影响。
35.步骤(2)中，所述机械剥离法具体过程包括：使用热释放胶带在二硫化钼晶体上撕下薄层mos2；或，所述加热温度为70-90℃，优选的，为85℃。该处理方法非常简单，并且有利于获得垂直异质结，有利于发挥cuinp2s6和mos2的协同配合作用，保证忆阻器的隧道电阻更大。
36.在本发明的一种或多种实施例中，一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器和/或高
隧道电阻的铁电隧道结忆阻器的制备方法在微电子器件中的应用。
37.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
38.实施例1
39.一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器，制备方法具体为：
40.金胶带的制备：在1cm
×
1cm的si/sio2基底上利用电子束蒸发镀金膜，厚度为50nm,使用pmma溶液(质量分数为0.13％)进行匀胶，贴上热释放胶带，放在150度恒温箱中5min，撕下带有金膜的胶带就是所需的金胶带。
41.用金胶带去粘有cuinp2s6二维材料的蓝膜胶带，得到粘有二维材料的金胶带，将粘有二维材料的金胶带粘到新的sio2基底上(含有金属电极的基底，金属电极厚度为80nm)，轻轻按压30秒，放到95度恒温箱中5min，观察到热释放胶带泛白，从恒温箱中取出样品，去除金胶带各层，首先放入去离子水中浸泡，直至热释放胶带自然脱落，然后依次放入丙酮、酒精和去离子水中各浸泡30min去除pmma，然后进行氧等离子体处理，处理时间为30s，最后进行20％的碘化钾溶液浸泡，去掉金膜，再用去离子水冲洗，清理掉多余的碘化钾溶液。
42.使用高精度二维材料转移系统进行干法转移，向已经有cuinp2s6的基底上定向转移mos2，形成cuinp2s6/mos2异质结构。
43.基底为285nm sio2基底，底部金电极层为金属电极cr/au，cr为20nm，au为60nm。
44.图1、2分别为cuinp2s6和mos2的拉曼光谱表征图，说明器件制备使用的材料准确；
45.图3为cuinp2s6/mos2异质结的铁电隧道结的电压-电流特性，在开/关状态下电流比为103即铁电隧道结的隧道电阻为103，表现出大的隧道电阻；
46.图4为cuinp2s6/mos2异质结的铁电隧道结的工艺制备流程图。
47.实施例2
48.一种高隧道电阻的铁电隧道结忆阻器，制备方法具体为：
49.金胶带的制备：在1cm
×
1cm的si/sio2基底上利用电子束蒸发镀金膜，厚度为60nm，使用pmma溶液进行匀胶，贴上热释放胶带，放在200度恒温箱中10min，撕下带有金膜的胶带就是所需的金胶带。
50.用金胶带去粘有cuinp2s6二维材料的蓝膜胶带，得到粘有二维材料的金胶带，将粘有二维材料的金胶带粘到新的sio2基底上(含有金属电极的基底，金属电极厚度为80nm)，轻轻按压30秒，放到100度恒温箱中10min，观察到热释放胶带泛白，从恒温箱中取出样品，去除金胶带各层，首先放入去离子水中浸泡，直至热释放胶带自然脱落，然后依次放入丙酮、酒精和去离子水中各浸泡30min去除pmma，然后进行氧等离子体处理，处理时间为40s，最后进行20％的碘化钾溶液浸泡，去掉金膜，再用去离子水冲洗，清理掉多余的碘化钾溶液。
51.使用高精度二维材料转移系统进行干法转移，向已经有cuinp2s6的基底上定向转移mos2，形成cuinp2s6/mos2异质结构。
52.基底为285nmsio2基底，底部金电极层为金属电极cr/au，cr为20nm，au为60nm。
53.对比例1：
54.与实施例1的区别在于：中间介质层只有cuinp2s6，不含有mos2。该忆阻器不能实现其功能，因为中间介质层只有cuinp2s6，开关状态下电流无变化，不能形成隧道电阻。
55.对比例2：
56.与实施例1的区别在于：中间介质层只有mos2，不含有cuinp2s6。该忆阻器不能实现其功能，因为中间介质层只有mos2时不存在铁电性能。
57.对比例3：
58.与实施例1的区别在于：将zns替换为mos2。该忆阻器隧道电阻小且极易受光照影响。然而，实施例1中，由于cuinp2s6和mos2之间的协同作用，不仅提高了隧道电阻，而且，还极大的降低了光照影响。
59.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。