一种含氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层的忆阻器及其制备方法

本发明涉及微电子器件制备，尤其涉及一种含氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层的忆阻器及其制备方法。

背景技术：

1、忆阻器因其结构简单、易集成、且能够表现出电阻转变的特性而受到学术界和工业界的广泛关注。电阻转变特性可应用于可编程逻辑电路、人工神经网络模拟和阻变存储器方面，其中，最大的应用前景就是作为阻变存储器。阻变存储器具有集成密度高、速度快、低功耗、非易失等非常多的优点。衡量阻变存储器的性能指标有：开关比、置位(set)和复位(reset)电压、耐久性、阻态保持特性、擦写速度等。因此，性能优秀的忆阻器在阻变存储器的应用上要朝着高开关比、低电压、超高耐久性和稳定的阻态保持特性，以及超快擦写速度的方向发展。

2、近年来研究者们将目光聚焦于一些具有特殊性能的材料，并提出了一些忆阻器模型，较为普遍的忆阻器模型类似“三明治”结构，即两层金属之间夹着一层绝缘性或者半导体性质的薄膜材料，中间的夹层可以称为“阻变层”。不同的阻变层材料和电极材料的忆阻器会产生不同的阻变机理。在众多阻变层材料中，金属氧化物一直被视为忆阻器材料中极具潜力的候选材料。目前被广泛制备的这种“三明治”结构的忆阻器，其阻变层材料多为宽禁带的单层金属氧化物。然而，单层宽禁带的金属氧化物层虽然能使得这些忆阻器短暂地表现出较大的开关比，但是其阻态保持性和耐久性较差。因此，针对上述缺点，本发明提出了一种含氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层的忆阻器及其制备方法，通过使用氧化铟和金属氧化物混合掺杂材料制备双层结构的忆阻器，在氧化铟的优良导电特性和金属氧化物的宽禁带绝缘特性的组合下，其性能稳定的阻态保持性和耐久性得到显著提升。

技术实现思路

1、本发明提供一种含氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层的忆阻器及其制备方法，结构简单、工艺简单，通过制备含有氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层的忆阻器，以提高忆阻器的开关比和循环耐久性，进而提升忆阻器运用在阻变存储器上的器件可靠性和稳定性。同时，此制备方法工艺简单，为忆阻器在阻变存储器商业化应用的实现上提供一种可行的制备方案。

2、为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：

3、第一方面，提供一种含氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层的忆阻器，包括由下至上依次设置的衬底、底电极、氧化铟层、金属氧化物混合掺杂层和顶电极，所述的金属氧化物混合掺杂层的材料选自氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化锌、氧化铊中的多种。

4、进一步的，所述的金属氧化物混合掺杂层的材料为氧化铝和氧化铪，所述的氧化铝与氧化铪的原子百分含量比为x:(100-x)，1≤x≤50。

5、优选的，所述的氧化铝与氧化铪的原子百分含量比为3.5:96.5。

6、进一步的，所述的金属氧化物混合掺杂层的材料为氧化锌和氧化铪，所述的氧化锌与氧化铪的原子百分含量比为x:(100-x)，1≤x≤50。

7、进一步的，所述的衬底的材料选自硅、二氧化硅、碳化硅、玻璃、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷中的一种，所述的底电极的材料为氧化铟锡，所述的顶电极的材料为铝、金、银、铜、钛、镍、氮化钛、氧化铟锡、石墨烯中的一种或多种。

8、进一步的，所述的氧化铟层的厚度为2～100nm，所述的金属氧化物混合掺杂层的厚度为2～100nm。

9、进一步的，所述的底电极的厚度为20～1000nm，所述的顶电极的厚度为10～1000nm。

10、第二方面，提供如第一方面所述的含氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层的忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

11、(1)对衬底进行清洁和干燥；

12、(2)在衬底上使用物理气相淀积的方法沉积底电极；

13、(3)在沉积底电极后，对底电极进行掩膜，使用磁控溅射的方法沉积氧化铟层；

14、(4)沉积氧化铟层之后，使用磁控溅射的方法沉积金属氧化物混合掺杂层；

15、(5)除去步骤(3)中的掩膜，在金属氧化物混合掺杂层上覆盖并固定图案化的掩膜版，使用物理气相淀积的方法沉积顶电极，制备得到器件；

16、(6)将步骤(5)制备得到的器件放入加热台进行退火后取出，即得含氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层的忆阻器。

17、优选的，步骤(2)中，使用物理气相淀积的方法沉积底电极为：使用磁控溅射方法，将溅射仪腔室内保持在0.1～1.5pa的气压，在保持通入30～60sccm的氩气的气氛条件下溅射底电极靶材，调节溅射功率为35～60w；

18、进一步的，步骤(3)中，使用磁控溅射的方法沉积氧化铟阻变层为：将溅射仪抽真空后保持在0.1～1.5pa的气压，在氩气和氧气比例为(10～5):1的气氛条件下溅射氧化铟靶材，调节溅射功率为35～60w，并使搭载衬底的基台保持40～200℃的加热温度和5～20r/min的转速条件下进行溅射，溅射时间为2～10min。

19、进一步的，步骤(4)中，使用磁控溅射的方法沉积金属氧化物混合掺杂层为：将溅射仪抽真空后保持在0.1～1.5pa的气压，在保持无氧气通入或通入45～60sccm氩气的气氛条件下溅射金属氧化物靶材，调节溅射功率为35～60w，并使搭载衬底的基台保持40～200℃的加热温度和5～20r/min的转速条件下进行溅射，溅射时间为2～15min。

20、优选的，步骤(5)中，使用物理气相淀积沉积顶电极为：使用磁控溅射方法，将溅射仪保持在0.1～1.5pa的气压，在保持通入30～60sccm的氩气的气氛条件下溅射顶电极靶材，并使搭载衬底的基台保持40～100℃的加热温度和5～20r/min的转速条件下进行溅射，溅射时间为2～20min；

21、优选的，步骤(5)中，使用物理气相淀积沉积顶电极为：使用真空热蒸镀方法，在热蒸镀仪内蒸镀顶电极，取2～5g的铝粒，逐渐加大蒸镀电流，使铝粒蒸发，保持铝粒上方的载物基台温度为80～120℃；

22、进一步的，步骤(6)中，所述的退火的温度为100～500℃，退火的时间为1～500min。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

24、1.采用氧化铟作为阻变层材料之一；其中，氧化铟作为一种极具潜力的新型半导体材料，透明度高，导电性能优异，具有近似于石墨烯的电子传输性能，是一种非常好的导电材料。氧化铟的机械性能非常好，硬度高、韧性好，且具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，因此可以用于制备高质量的薄膜材料。氧化铟作为一种新兴的薄膜材料，具有在半导体器件中独特的性能和特点，尤其是透明、导电和机械性能方面的优异表现，为其在微电子器件上的应用提供了广阔的前景。此外，氧化铟和氧化铝、氧化铪一样，均具有高温稳定性，能够在高温环境下稳定工作。并且氧化铪和氧化铝属于介电常数较大的材料，常应用于电容器等器件的制造中。

25、2.本发明使用磁控溅射的方法沉积氧化铟层，通过改变溅射功率、溅射时间等制备工艺而得不同厚度的氧化铟层，通过溅射时不同的氧气通气量以及退火温度得到不同氧化程度的氧化铟层，从而制备出性能不一的含氧化铟层和金属氧化物层混合掺杂层的忆阻器。

26、3.本发明的忆阻器的顶电极可以为其他金属或非金属材料。

27、4.本发明提供的含氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层的忆阻器，通过设置氧化铟层和金属氧化物混合掺杂层，两者协同作用使得制备的忆阻器具有优良的阻变性能和高稳定性的非易失性。本发明在保持简单的工艺步骤的前提下制备出了性能优秀且稳定的忆阻器。