利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法技术

本发明专利技术提供一种利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，包括以下步骤：1）提供氧化物单晶衬底；2）自注入面向所述氧化物单晶衬底内进行离子注入，而后在注入面形成下电极；或在注入面形成下电极，而后自注入面向氧化物单晶衬底内进行离子注入；3）提供支撑衬底，将步骤2）得到的结构与支撑衬底键合；4）沿缺陷层剥离部分氧化物单晶衬底，以得到氧化物单晶薄膜，并使得到的氧化物单晶薄膜及下电极转移至支撑衬底上；5）在氧化物单晶薄膜表面形成上电极。本发明专利技术有效地降低了剥离及转移薄膜所需的离子总注入剂量，进而缩短了制备周期，节约了生产成本；同时，使用该方法还可以解决部分材料使用单一离子注入无法实现剥离的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体制备
，特别涉及一种利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法。
技术介绍
非易失性存储器是半导体领域中的重要组成部分，在半导体行业中占有举足轻重的地位。随着近些年工艺技术的进步和智能手机、移动存储、平板电脑等消费类电子产品的不断普及，极大地带动了非易失性存储器的消费，全球的存储器市场对非易失性存储器的需求急剧增加。不仅如此，市场对存储器的要求也不断提高，如高容量、高速度、低功耗、低价格等等。这些要求进一步推动了现有的半导体技术不断向前发展。而现有的基于电荷存储的浮栅结构闪存存储器在半导体工艺节点向前推进的过程中遇到了不可逾越的极限，因此，寻找一种在新的工艺节点下能代替现有闪存存储器的新型非易失性存储器技术成为当前存储器发展领域的当务之急。阻变存储器以其独特的技术特点和优势受到学术界和工业界的高度重视。阻变存储器是简单的两端存储器件，它们能够根据所应用写电压/电流来改变内部电阻态并在撤去写电压/电流后保持电阻态，阻变存储器具有单元尺寸小、读写速度快、非易失、低能耗等特点，因而被认为是下一代新型存储器的有力竞争者。阻变存储器器件制备的一般工艺流程是在金属底电极上沉积氧化物介质薄膜，然后在氧化物薄膜上制备金属顶电极，形成金属-氧化物-金属的三明治结构。其中关键技术是阻变氧化物介质薄膜的制备，常见的阻变氧化物介质薄膜制备方法包括脉冲激光沉积法、磁控溅射法、原子层沉积法、热蒸发法等。然而，这些传统的薄膜制备方法都存在着许多问题，比如，一般都需要在较高的温度下生长氧化物薄膜，很难与现有CMOS工艺相兼容。此外，由于受晶格失配、热失配以及界面缺陷等因素的影响，这些传统的薄膜制备方法都无法在多晶金属底电极上生长出高质量的单晶氧化物薄膜。材料的阻变特性是与材料中的缺陷密切相关的，非晶或多晶薄膜作为阻变氧化物介质层存在的问题包括：一方面，非晶和多晶薄膜中都存在多种不同的缺陷，这对于材料阻变机理的研究是一个很大的挑战；另一方面，缺陷在非晶和多晶薄膜中的分布是随机的，这对于缩小器件尺寸、器件参数的稳定与优化、可靠性研究等都是难以突破的瓶颈。因此，推动阻变存储器发展的关键在于如何在金属衬底上高效地制备高质量单晶氧化物薄膜。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出了一种利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，用于解决现有技术中采用传统的薄膜制备方法制备单晶氧化物阻变存储器存在的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，至少包括以下步骤：1)提供氧化物单晶衬底，所述氧化物单晶衬底的一面为注入面；2)自所述注入面向所述氧化物单晶衬底内进行离子注入，而后在所述注入面形成下电极；或在所述注入面形成下电极，而后自所述注入面向所述氧化物单晶衬底内进行离子注入；离子注入的能量足以使注入离子到达所述氧化物单晶衬底内的预设深度，并在所述预设深度处形成缺陷层；3)提供支撑衬底，将步骤2)得到的结构与所述支撑衬底键合，且所述下电极与所述支撑衬底相接触；4)沿所述缺陷层剥离部分所述氧化物单晶衬底，以得到氧化物单晶薄膜，并使得到的所述氧化物单晶薄膜及所述下电极转移至所述支撑衬底上；5)在所述氧化物单晶薄膜表面形成上电极。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，步骤1)与步骤2)之间，还包括对所述氧化物单晶衬底进行清洗的步骤。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，步骤2)中，在所述氧化物单晶衬底内注入的离子为H离子或He离子。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，离子注入的能量为5keV～1000keV，离子注入的剂量为1×1016ions/cm2～6×1017ions/cm2，离子注入的温度为-50℃～700℃。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，步骤2)中，在所述氧化物单晶衬底内注入的离子为H离子及He离子。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，所述H离子的注入在所述He离子的注入之前进行。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，所述H离子的注入在所述He离子的注入之后进行。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，所述H离子及所述He离子同时注入。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，所述H离子及He离子的离子注入的能量为5keV～1000keV，离子注入的剂量为1×1016ions/cm2～6×1017ions/cm2，离子注入的温度为-50℃～700℃。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，步骤2)中，所述预设深度为10nm～50μm。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，步骤3)中，采用直接键合、介质层键合、金属键合或阳极键合工艺将步骤2)得到的结构与所述支撑衬底键合。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，步骤4)中，将步骤3)得到的结构进行退火处理以沿所述缺陷层剥离部分所述氧化物单晶衬底，以得到所述氧化物单晶薄膜。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，所述退火处理在真空环境下或在氮气、氧气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，退火温度为150℃～1200℃，退火时间为5分钟～24小时。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，步骤4)与步骤5)之间，还包括在所述氧化物单晶薄膜内注入惰性气体的步骤。作为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的一种优选方案，步骤4)与步骤5)之间，还包括对所述氧化物单晶薄膜进行表面平坦化处理的步骤。本专利技术的一种利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的有益效果为：采用离子剥离工艺形成氧化物单晶薄膜，氧化物单晶薄膜与支撑衬底通过键合的方式集成，因此对晶格匹配度几乎没有要求，氧化物单晶薄膜材料与支撑衬底材料的选择较为灵活；得到的氧化物单晶薄膜实际上是被剥离块材的一部分，因此其晶体质量和性能理论上与块材相当，若使用单晶块材进行剥离，则可以得到单晶的薄膜材料；与传统薄膜生长技术得到的薄膜材料不同，采用键合的方式可以将缺陷控制在界面附近极小的厚度范围内，氧化物单晶薄膜内部晶格质量不受影响，即使剥离的氧化物单晶薄膜厚度很小，也能够保证材料性能；可以在同一支撑衬底上同时集成不同种类的高质量氧化物单晶薄膜，且各氧化物单晶薄膜材料的性能不受制备过程的影响，极大地提高器件的集成度与设计的灵活度；采用共离子注入，可以有效地降低剥离及转移氧化物单晶薄膜所需的离子总注入剂量，进而缩短了制备周期，节约了生产成本；同时，使用该方法还可以解决部分材料使用单一离子注入无法实现剥离的问题。附图说明图1显示为本专利技术的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法的流程图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：1)提供氧化物单晶衬底，所述氧化物单晶衬底的一面为注入面；2)自所述注入面向所述氧化物单晶衬底内进行离子注入，而后在所述注入面形成下电极；或在所述注入面形成下电极，而后自所述注入面向所述氧化物单晶衬底内进行离子注入；离子注入的能量足以使注入离子到达所述氧化物单晶衬底内的预设深度，并在所述预设深度处形成缺陷层；3)提供支撑衬底，将步骤2)得到的结构与所述支撑衬底键合，且所述下电极与所述支撑衬底相接触；4)沿所述缺陷层剥离部分所述氧化物单晶衬底，以得到氧化物单晶薄膜，并使得到的所述氧化物单晶薄膜及所述下电极转移至所述支撑衬底上；5)在所述氧化物单晶薄膜表面形成上电极。

【技术特征摘要】
1.一种利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：1)提供氧化物单晶衬底，所述氧化物单晶衬底的一面为注入面；2)自所述注入面向所述氧化物单晶衬底内进行离子注入，而后在所述注入面形成下电极；或在所述注入面形成下电极，而后自所述注入面向所述氧化物单晶衬底内进行离子注入；离子注入的能量足以使注入离子到达所述氧化物单晶衬底内的预设深度，并在所述预设深度处形成缺陷层；3)提供支撑衬底，将步骤2)得到的结构与所述支撑衬底键合，且所述下电极与所述支撑衬底相接触；4)沿所述缺陷层剥离部分所述氧化物单晶衬底，以得到氧化物单晶薄膜，并使得到的所述氧化物单晶薄膜及所述下电极转移至所述支撑衬底上；5)在所述氧化物单晶薄膜表面形成上电极。2.根据权利要求1所述的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，其特征在于：步骤1)与步骤2)之间，还包括对所述氧化物单晶衬底进行清洗的步骤。3.根据权利要1所述的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，其特征在于：步骤2)中，在所述氧化物单晶衬底内注入的离子为H离子或He离子。4.根据权利要求3所述的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，其特征在于：离子注入的能量为5keV～1000keV，离子注入的剂量为1×1016ions/cm2～6×1017ions/cm2，离子注入的温度为-50℃～700℃。5.根据权利要求4所述的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，其特征在于：步骤2)中，在所述氧化物单晶衬底内注入的离子为H离子及He离子。6.根据权利要求5所述的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻变存储器的方法，其特征在于：所述H离子的注入在所述He离子的注入之前进行。7.根据权利要求5所述的利用离子注入剥离技术制备单晶氧化物阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧欣，游天桂，黄凯，贾棋，伊艾伦，王曦，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31