一种钒基忆阻器及其制备方法

本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种钒基忆阻器及其制备方法。

背景技术：

1、忆阻器因为其具有可控的电阻状态，被认为是神经形态计算中最有前途的器件之一。基于冯-诺依曼结构的传统计算机可以有效地处理大量的数据和快速存储信息，在信息技术领域相当重要。然而，分离的存储单元和计算单元使得冯-诺依曼计算机不可避免地消耗大量的能源，并且不具备生物神经系统学习或处理复杂数据的能力。受人脑启发的人工神经形态计算系统具有执行学习、记忆任务和以低能耗解决非结构化问题的潜力，越来越受到关注。基于无机材料的神经形态计算系统可以有效打破冯诺依曼瓶颈，类人脑的方式执行任务，为实现强人工智能提供了有力方案。然而，绝缘体-金属转变(imt)忆阻器仍存在功率较差的问题，使其应用领域和应用环境受到限制。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中imt忆阻器存在的功率较差缺陷，从而提供一种钒基忆阻器及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种钒基忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)制备底电极：在衬底上制备pt电极作为底电极；

5、(2)制备二氧化钒薄膜：将步骤(1)处理后的衬底和底电极加热，采用纯度99.9％的金属v靶，在所述底电极上溅射得到vox薄膜，在空气中于400～600℃下退火20～120min，退火～3次，得到二氧化钒薄膜；

6、(3)制备顶电极：在所述二氧化钒薄膜上制备pt电极作为顶电极。

7、进一步地，步骤(2)中，

8、所述退火工艺的升温速率为1～10℃/min，冷却速率为1～10℃/min，冷却至100～300℃后随炉冷却至室温；

9、将衬底和底电极加热至400～600℃；溅射气氛环境中氩气和氧气的体积比为5～100：1；溅射气压为0.4～1pa；背底真空在5×10-4pa以下；射频溅射功率为50～200w；溅射时间为180～1200s；

10、溅射得到vox薄膜的厚度为100～300nm。

11、进一步地，步骤(2)中，

12、所述退火工艺的升温速率为5℃/min，冷却速率为2℃/min，冷却至200℃后随炉冷却至室温；

13、将衬底和底电极加热至520℃；溅射气氛环境中氩气和氧气的体积比为10：1；氩气的气流量为15sccm；氧气的气流量为1.5sccm；溅射气压为0.5pa；背底真空在5×10-4pa以下；射频溅射功率为100w；溅射时间为600s；

14、溅射得到vox薄膜的厚度为180nm。

15、进一步地，所述底电极和顶电极均为条形，且所述底电极与顶电极相交于一点，所述二氧化钒薄膜位于两者的相交点上。

16、进一步地，所述底电极和顶电极的宽度为20～30μm，厚度为20～30nm；所述底电极与顶电极垂直相交。

17、进一步地，步骤(1)中，以硅片作为衬底；采用金属pt靶，在衬底上溅射制备pt电极；直流溅射功率为20～50w；溅射气氛环境为0.5～1pa的氩气氛围；溅射时间为120～240s。

18、进一步地，步骤(1)中，直流溅射功率为30w；溅射气氛环境为0.8pa的氩气氛围；溅射时间为180s。

19、进一步地，步骤(3)中，采用金属pt靶，在二氧化钒薄膜上溅射制备pt电极，其中，直流溅射功率为20～50w；溅射气氛环境为0.5～1pa的氩气氛围；溅射时间为120～240s。

20、进一步地，步骤(3)中，直流溅射功率为30w；溅射气氛环境为0.8pa的氩气氛围；溅射时间为180s。

21、第二方面，本发明提供所述的制备方法得到的钒基忆阻器。

22、本发明技术方案，具有如下优点：

23、本发明提供的钒基忆阻器，以pt电极作为顶电极和底电极，以二氧化钒的无机薄膜作为相变层，得到pt/vo2/pt器件。将溅射后得到的vox薄膜进行两次退火处理，多次退火过程可以促进更稳定的单斜相(m相)形成，并最大限度地减少第二相或杂质的存在，这可以提高薄膜的整体质量和可靠性，两次退火得到的m相的二氧化钒功能层，在室温下测试表现出良好的性能，且在室温下测量时可循环千次以上，稳定性极好。本发明提供的钒基忆阻器在将来的存储器件尤其是人工神经元器件上有非常好的应用价值。

技术特征：

1.一种钒基忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的钒基忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，

3.根据权利要求2所述的钒基忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，

4.根据权利要求1所述的钒基忆阻器的制备方法，其特征在于，所述底电极和顶电极均为条形，且所述底电极与顶电极相交于一点，所述二氧化钒薄膜位于两者的相交点上。

5.根据权利要求4所述的钒基忆阻器的制备方法，其特征在于，所述底电极和顶电极的宽度为20～30μm，厚度为20～30nm；所述底电极与顶电极垂直相交。

6.根据权利要求1所述的钒基忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，以硅片作为衬底；采用金属pt靶，在衬底上溅射制备pt电极；直流溅射功率为20～50w；溅射气氛环境为0.5～1pa的氩气氛围；溅射时间为120～240s。

7.根据权利要求6所述的钒基忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，直流溅射功率为30w；溅射气氛环境为0.8pa的氩气氛围；溅射时间为180s。

8.根据权利要求1所述的钒基忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，采用金属pt靶，在二氧化钒薄膜上溅射制备pt电极，其中，直流溅射功率为20～50w；溅射气氛环境为0.5～1pa的氩气氛围；溅射时间为120～240s。

9.根据权利要求8所述的钒基忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，直流溅射功率为30w；溅射气氛环境为0.8pa的氩气氛围；溅射时间为180s。

10.权利要求1～9任一项所述的制备方法得到的钒基忆阻器。

技术总结
本发明提供一种钒基忆阻器及其制备方法，涉及半导体器件领域。该钒基忆阻器的制备方法，包括以下步骤：在衬底上制备Pt电极作为底电极；将处理后的衬底和底电极加热，采用纯度99.9％的金属V靶，在底电极上溅射得到VO<subgt;x</subgt;薄膜，在空气中于400～600℃下退火20～120min，退火2～3次，得到二氧化钒薄膜；在二氧化钒薄膜上制备Pt电极作为顶电极。本发明提供的钒基忆阻器，将溅射后得到的VO<subgt;x</subgt;薄膜进行两次退火处理，多次退火过程可以促进更稳定的单斜相(M相)形成，并最大限度地减少第二相或杂质的存在，这可以提高薄膜的整体质量和可靠性，M相的二氧化钒功能层在室温下测试表现出良好的性能，且在室温下测量时可循环千次以上，稳定性极好。

技术研发人员：王琦,王嫣,苏朝辉,贺德衍
受保护的技术使用者：兰州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15