本发明属于非易失性存储器，具体涉及一种基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器及其制备方法和应用。
背景技术：
1、忆阻器，与传统的闪存等非易失性存储器相比，具有结构简单、读写功耗低、存储密度高、以及与互补金属半导体工艺兼容等优点，被认为是新一代最有潜力的非易失性存储器。与此同时，随着大数据、物联网、以及人工智能等技术的快速发展，忆阻器在实现存储计算一体化呈现出巨大的应用价值。此外，忆阻器因其可以进行模拟生物突触与神经元之间的信号传递，是未来创建人工神经形态计算的重点研究方向之一。忆阻器，通常由简单的金属/阻变功能层/金属类三明治夹层结构构成，目前金属氧化物、钙钛矿及卤化物等材料都已经被发现可以作为忆阻器的阻变功能层。尤其是二元过渡金属氧化物，具有成本低以及制备简单等优点，被认为是最有前途的阻变功能材料，如氧化钛、氧化锌、氧化锆、氧化钨、氧化铪以及氧化钽等材料吸引了科研人员关注。其中非晶氧化铪材料因其宽带隙、高介电常数、卓越的电阻特性以及与cmos兼容等特点，是理想的阻变功能材料。但是目前基于氧化铪构建的忆阻器的稳定性以及开关窗口等性能不太理想，严重制约了其应用前景。
2、近年来，价变记忆作为氧化物基阻变存储器运行的物理机制得到广泛认可，阻变行为与离子缺陷的迁移有关。对于符合导电细丝形成/断裂物理模型的阻变忆阻器，通过控制形成导电细丝的氧缺陷的迁移势垒以及浓度，能有效的对阻变性能进行调控。基于此，通过叠加其他氧化层来构建忆阻器，被认为是可以改变阻变层中离子的运动从而改善存储器电阻开关特性的有效策略之一。其中，氧化钇具有宽带隙、低漏电流以及良好热稳定性等优点，尤其非晶氧化钇中存在丰富的氧缺陷，是改善阻变性能的良好材料。然而截止目前而言，利用氧化钇/氧化铪双层结构来构建忆阻器，实现高存储窗口数字型忆阻器的制备方法尚未有报道。
3、因此，针对现有的氧化铪忆阻器在稳定性以及开关窗口等性能有待于进一步提升的困境，急需从器件设计的角度，来提高忆阻器的稳定性及开关窗口等问题，以实现在数据存储等领域的应用。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器及其制备方法和应用，以解决现有忆阻器开关窗口小导致数据存储读取错误概率高的技术问题。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
3、本发明公开了一种基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法，包括如下步骤：
4、1）在高平整度衬底上，采用物理气相沉积方式沉积第一导电薄膜，作为数字型忆阻器的底导电电极；
5、2）采用含有钇元素的靶材和含有铪元素的靶材，在步骤1）制备的底导电电极上，依次采用物理气相沉积方式沉积非晶氧化钇薄膜和非晶氧化铪薄膜，得到非晶氧化钇/氧化铪双层结构，作为数字型忆阻器的功能层；
6、3）采用掩模版，在步骤2）制备的功能层上继续采用物理气相沉积方式沉积第二导电薄膜，作为数字型忆阻器的上导电电极，得到基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器。
7、优选地，步骤1）中，高平整度衬底为生长有二氧化硅的抛光单晶硅或者高透明的绝缘玻璃。
8、优选地，步骤1）中，物理气相沉积方式为热蒸发、电子束蒸发和磁控溅射中的任意一种；第一导电薄膜为ito、pt、au、w和tin中的任意一种；底导电电极的厚度为20~200 nm。
9、优选地，步骤2）中，物理气相沉积方式为射频磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲激光沉积和分子束外延中的任意一种；含有钇元素的靶材为金属靶材或对应的氧化物靶材；含有铪元素的靶材为金属靶材或对应的氧化物靶材。
10、优选地，步骤2）中，非晶氧化钇薄膜沉积时的生长功率为20~200 w；生长时间为0.5~5 min；生长过程中衬底加热温度为100~500℃；生长过程中通入氩气和氧气的混合气体；生长气体压强为0.1~2 pa，氩气流速为5~35 sccm；氧气流速为5~35 sccm。
11、优选地，步骤2）中，非晶氧化铪薄膜沉积时的生长功率为30~350 w；生长时间为2~20 min；生长过程中衬底加热温度为50~500℃；生长过程中通入氩气和氧气的混合气体；生长气体压强0.1~5 pa，氩气流速为10~80 sccm，氧气流速为1~20 sccm。
12、优选地，步骤2）中，非晶氧化钇薄膜的厚度为10~40 nm；非晶氧化铪薄膜的厚度为20~80 nm。
13、优选地，步骤3）中，掩模版为圆形掩模版，圆形掩模版的直径为20~300 μm；物理气相沉积方式为热蒸发、电子束蒸发和磁控溅射中的任意一种；第二导电薄膜为ito、pt、au、w和tin中的任意一种；上导电电极的厚度为20~200 nm。
14、本发明还公开了一种基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器，采用上述制备方法制得，从下到上依次为的底导电电极、功能层和上导电电极，功能层为非晶氧化钇/氧化铪双层结构。
15、本发明还公开了上述制备方法制得的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器在非易失性阻变存储器中的应用。
16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17、本发明公开了一种基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法。选择高平整度衬底来构建忆阻器，高平整衬底是保证忆阻器电学性质的稳定性及可靠性的基础；采用物理气相沉积方式在衬底上沉积一定厚度的高稳定性第一导电薄膜，作为忆阻器的底导电电极；物理气相沉积方法具有稳定性高、重复性好等优点，制备的高稳定性导电薄膜与衬底及阻变功能层都具有高附着力；高稳定性导电薄膜作为忆阻器的底导电电极，是获得优异忆阻器的重要组成部分。采用物理气相沉积方法，按照顺序沉积高介电常数非晶氧化钇薄膜和氧化铪薄膜，得到非晶氧化钇/氧化铪双层结构，作为高存储窗口数字型忆阻器的功能层；采用物理气相沉积方法沉积高介电常数非晶氧化钇薄膜和非晶氧化铪薄膜，具有很好的重复性，制备的器件具有稳定性高的优点；按照从下到上氧化钇和氧化铪的顺序生长，来调控导电细丝的形态，是实现高开关窗口的关键；同时二者都具有宽带隙、高介电常数、卓越的电阻特性以及与cmos兼容等特点，是理想的阻变功能材料。在生长的非晶氧化钇/氧化铪双层结构功能层上继续沉积一定厚度的高稳定性第二导电薄膜，作为数字型忆阻器的上导电电极，得到基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器；一定厚度的高稳定性第二导电薄膜作为上导电电极，是进一步保证忆阻器稳定性的重要组成部分。通过增大存储窗口来提高忆阻器的读写稳定性和可靠性，是提高其应用前景的重要阻变性能参数。非晶氧化铪材料宽带隙、可扩展性，高密度等优异的物理特性，是构建阻变存储器的理想材料之一，但是目前基于氧化铪构建的忆阻器在稳定性以及开关窗口等性能上有待于进一步提升，这严重制约了其应用前景。本发明将含有丰富氧缺陷的一定厚度的氧化钇层，叠加氧化铪薄膜层，制备的叠层作为忆阻器的阻变功能层，得到了具有高存储窗口等优异阻变性能的数字型忆阻器。相对于单一氧化铪薄膜层的忆阻器，本方案构建的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器在高存储窗口、高密度存储等方面具有广阔的应用前景。
18、进一步地，采用高平整度生长有一层二氧化硅的抛光单晶硅或者高透明的绝缘玻璃作为衬底来构建高存储窗口的忆阻器。如果衬底的平整度低会导致后面的导电电极及功能层都不平整，降低器件的稳定性及性能；生长有二氧化硅的抛光单晶硅或者绝缘玻璃能保证构建的忆阻器的电流不会透过衬底，这样能提高忆阻器性能的可靠性。
19、进一步地，采用热蒸发、电子束蒸发及磁控溅射等物理气相沉积沉积底导电电极和上导电电极，以上物理气相沉积的方式制备的导电薄膜具有高附着力、高稳定性与重复性，且与目前主流的cmos工艺兼容。采用ito、pt、au、w或tin中的一种作为器件的导电电极，相对于ag和cu等原子活性比较大的金属电极，以上电极的电化学性质都具有一定的惰性，这样构建的忆阻器的电极原子不会参与阻变行为中，保证器件具有更高的稳定性。设计的底导电电极和上导电电极的厚度均为20~200 nm，过薄的电极无法保证忆阻器的稳定性，过厚的电极会导致电极与接触的功能层的附着力差，同时带来过高的成本。
20、进一步地，采用射频磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲激光沉积或者分子束外延的物理气相沉积方法沉积功能层；化学气相沉积制备的薄膜连续性较差，同时成本较高，并且化学气相沉积生长的功能层与主流的cmos工艺不兼容，进一步导致器件的成本增加。采用含有钇和铪元素的金属靶材或者对应的氧化物靶材来生长功能层，并采用以上高纯的物理气相方法来沉积，可以减少阻变功能层中杂质的引入。
21、进一步地，非晶氧化钇薄膜生成的参数中生长功率为20~200 w，低于此范围功率会导致薄膜生长速率过慢，成本增加；高于此功率范围导致生长的薄膜的粗糙度增加，器件的稳定性降低。生长时间为0.5~5 min，低于此生长时间制备的薄膜厚度过薄，阻变性能消失；高于此生长时间范围导致薄膜过厚，需要更高的功率才能实现数据存储，增加了器件的功耗。生长过程中衬底加热温度为100~500℃，低于此加热范围生长的薄膜致密度降低，器件性能变差；高于此温度范围生长的功能层薄膜的粗糙度增加，忆阻器的可靠性降低。生长过程中通入氩气和氧气混合气体，生长气体压强为0.1~2 pa，氩气流速为5~35 sccm，氧气流速为5~35 sccm，当生长气压低于此范围，且氩气和氧气流速低于此范围的情况下，制备的氧化钇薄膜过薄，构建的忆阻器存储窗口较小；当生长气压高于此范围，且氩气和氧气流速高于此范围的情况下，制备的薄膜过厚，导致开关电压变大，影响忆阻器的功耗。
22、进一步地，非晶氧化铪薄膜的生成参数中生长功率为30~350 w，同上面氧化钇薄膜，低于此范围功率会导致薄膜生长速率过慢，成本增加；高于此功率范围导致生长的薄膜的粗糙度增加，器件的稳定性降低。生长时间为2~20 min，同上面氧化钇薄膜，低于此生长时间制备的薄膜过薄，阻变性能消失；高于此生长时间范围导致薄膜过厚，需要更高的功率才能实现数据存储，增加了器件的功耗。生长过程中衬底加热温度为50~500℃，同上面氧化钇薄膜，低于此加热范围生长的氧化铪薄膜的致密度降低，器性能变差；高于此温度范围生长的氧化铪薄膜的粗糙度增加，忆阻器的可靠性降低。生长过程中通入氩气和氧气混合气体，生长气体压强为0.1~5 pa，氩气流速为10~80sccm，氧气流速为1~20 sccm，当生长气压低于此范围，且氩气和氧气流速低于此范围的情况下，制备的氧化铪薄膜较薄，忆阻器的存储窗口变小；当气压高于此范围，且氩气和氧气流速高于此流量的条件下，制备的氧化铪薄膜较厚，导致忆阻器运行的开关电压变大，最终功耗变大。
23、进一步地，非晶氧化钇薄膜的厚度为10~40 nm；氧化铪薄膜的厚度20~80 nm，低于此厚度范围的数字忆阻器虽然能实现高存储窗口，但是稳定性和可靠性差；高于此厚度范围的存储窗口降低，无法实现具有高存储窗口的数字型忆阻器。
24、进一步地，圆形掩模版的直径为20~300 μm，高于此范围导致工作电流变大，器件的功耗变高，低于此直径范围，构建的忆阻器的稳定性变差。
25、本发明还公开了上述制备方法制得的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器，从下到上依次为的底导电电极、功能层和上导电电极，功能层为非晶氧化钇/氧化铪双层结构。非晶氧化钇和非晶氧化铪都具有丰富的氧缺陷，通过设计非晶氧化钇/氧化铪双层结构，进而对形成阻变特性的导电细丝进行调控，进而得到具有较大存储窗口的忆阻器。
26、本发明还公开了上述制备方法制得的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器在非易失性阻变存储器中的应用。该高存储窗口数字型忆阻器的制备方法具有结构构建简单，制备工艺简单，材料成本低的优点。相对于单一氧化铪阻变层的忆阻器，氧化钇/氧化铪双层结构忆阻器呈现出稳定的数字型阻变特性，尤其是具有较大的存储窗口，这为其在高性能、低误差数据存储方面具有重要的应用前景。此外，同时通过控制截止电压和限制电流，呈现出多级存储能力，在存储窗口高的同时具有存储密度大的潜在优势，具有良好的市场应用前景。
1.一种基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述高平整度衬底为生长有二氧化硅的抛光单晶硅或者高透明的绝缘玻璃。
3. 根据权利要求1所述的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述物理气相沉积方式为热蒸发、电子束蒸发和磁控溅射中的任意一种；所述第一导电薄膜为ito、pt、au、w和tin中的任意一种；所述底导电电极的厚度为20~200 nm。
4.根据权利要求1所述的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述物理气相沉积方式为射频磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲激光沉积和分子束外延中的任意一种；所述含有钇元素的靶材为金属靶材或对应的氧化物靶材；所述含有铪元素的靶材为金属靶材或对应的氧化物靶材。
5. 根据权利要求1所述的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述非晶氧化钇薄膜沉积时的生长功率为20~200 w；生长时间为0.5~5 min；生长过程中衬底加热温度为100~500℃；生长过程中通入氩气和氧气的混合气体；生长气体压强为0.1~2 pa，氩气流速为5~35 sccm；氧气流速为5~35 sccm。
6. 根据权利要求1所述的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述非晶氧化铪薄膜沉积时的生长功率为30~350 w；生长时间为2~20 min；生长过程中衬底加热温度为50~500℃；生长过程中通入氩气和氧气的混合气体；生长气体压强0.1~5 pa，氩气流速为10~80 sccm，氧气流速为1~20 sccm。
7. 根据权利要求1所述的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述非晶氧化钇薄膜的厚度为10~40 nm；所述非晶氧化铪薄膜的厚度为20~80 nm。
8. 根据权利要求1所述的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述掩模版为圆形掩模版，所述圆形掩模版的直径为20~300 μm；所述物理气相沉积方式为热蒸发、电子束蒸发和磁控溅射中的任意一种；所述第二导电薄膜为ito、pt、au、w和tin中的任意一种；所述上导电电极的厚度为20~200 nm。
9.一种基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器，其特征在于，采用权利要求1~8任意一项所述制备方法制得，从下到上依次为的底导电电极、功能层和上导电电极，所述功能层为非晶氧化钇/氧化铪双层结构。
10.权利要求1~8任意一项所述制备方法制得的基于非晶氧化钇/氧化铪双层结构的数字型忆阻器在非易失性阻变存储器中的应用。
