基于非晶固体电解质薄膜(AgI)*(AgPO*)***及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型记忆材料，非晶固体电解质薄膜（ＡｇＩ）↓［ｘ］（ＡｇＰＯ↓［３］）↓［１－ｘ］，使用其制备非挥发性记忆器件，可用于信息存储和其它种类的集成电路中。非晶固体电解质薄膜（ＡｇＩ）↓［ｘ］（ＡｇＰＯ↓［３］）↓［１－ｘ］有如下特点：其本身是一种固体电解质薄膜材料，具有离子导电性，在一定条件下可以可逆地转变为电子导电性，在室温下，其结构为非晶态，可使用其制备小尺寸、高密度、性能稳定的非挥发性记忆器件。本发明专利技术提供了一种非晶固体电解质薄膜（ＡｇＩ）↓［ｘ］（ＡｇＰＯ↓［３］）↓［１－ｘ］的制备方法，该方法包括：使用合适配比的ＡｇＩ、ＡｇＮＯ↓［３］、（ＮＨ↓［４］）↓［２］ＨＰＯ↓［４］熔化后制成玻璃靶材，然后使用激光脉冲沉积方法制备非晶固体电解质薄膜。

【技术实现步骤摘要】
基于非晶固体电解质薄膜(Agl), (AgP03)x及其制备方法
本专利技术属微电子材料领域，具体涉及应用于制备可快速读写的高密度非挥发 相变记忆元件的非晶固体电解质薄膜(Agl), (AgP0s) ^及其制备方法。二、
技术介绍
构成计算机的两大基本系统为存储系统和处理系统，当前使用的存储系统包 括易失性存储器和非易失性存储器。前者多用于计算机系统的内部存储器，在没 有电源支持的时候，不能保存数据。而后者在没有电源支持的时候，能够完整保 存原来的数据，所以广泛用于电子系统的数据保存，如计算机、数码设备、工控 设备等。当前使用的非易失性存储皿性介质存储器，由于读写过程中磁头与记 录介质要发生机械相对移动，因而无法实现快速读写。Flash等电子存储技术的 存储速度优于磁性介质存储器，但其在恶劣环境中可靠性较差。此外还有正在研 究中的铁电存储器(FeRAM)、基于自旋电子材料的M—RAM等，它们也因为各自 的某些弱点而尚未大i使用。近半个世纪以来，集成电路的发展基本遵循了 G. E. Moore提出的预言单 个芯片上集成的元件数每十八个月增加一倍，亦即摩尔定律。当硅基CMOS器件 的尺寸逐渐縮小到纳米量级，传统器件越来越走近物理和技术的极限。所以，发 展新型的存储技术，设计新型的存储器件，已经成为当前数字技术发展中一个重 要的方面。其中，新型存储材料的开发是当前存储技术发展的关键。三、
技术实现思路
1. 专利技术目的本专利技术的目的在于提供一种新型记忆材料非晶固体电解质薄膜 (Agl), (AgP03) h及其制备方法，及其在制备的非挥发性相变记忆元件中的应用2. 技术方案一种新型记忆材料非晶固体电解质薄膜(Agl),(AgPO3)h,其结构要点为该薄 膜在室温下为非晶态，0《x《0.7。其制备的过程如下a) (Agl), (AgPO》n玻璃靶材4是用Agl 、 AgNOa、 (NHj 2HPa粉末熔炼制备的；在450。C 60(TC熔化以上粉末的化学配比(mol% Agl: mol% AgN03:mol% (NH4)2HP04=x:l-x:l-x)混合物；将熔液浇至铜模中，冷却凝固后制成 (AgI)x(AgP03) h玻璃靶材4;b)将(Agl),(AgP03)h玻璃靶材4固定在脉冲激光沉积制膜系统(如图2所 示)的靶台5上，衬底1固定在衬底台8上，他们都放置在脉冲激光沉积制膜系 统的生长室6中；c)用真空泵通过机械泵和分子泵的接口阀7将生长室6抽真空到l.OXlO—3 Pa以下；d)启动KrF准分子激光器2，使激光束通过聚焦透镜3聚焦在 (AgI)x(AgP03) n玻璃靶材4上；根据单脉冲能量，确定沉积时间，在衬底1上沉积厚度为30nm 2000nm 厚的非晶固体电解质薄膜。非晶固体电解质薄膜在制备非挥发相变记忆元件中应用。使用非晶固体电解质薄膜制备非挥发性相变记忆元件的方法及步骤如下1) 记忆元件的基本构型为三明治结构(如图4所示)，即将一层非晶固体电 解质(Agl),(AgP03)n薄膜12夹在反应电极膜14和非反应电极膜10之间构筑成 一个微型三明治结构，这就是一个记忆单元，像一个微型电容器，其有效工作区 域的尺度可在30纳米至10微米之间；2) 该三明治结构制备在硅片，或石英玻璃片，或二氧化硅薄层覆盖的硅片， 或其它衬底材料9上；3) 上述的非反应电极膜10为铂(Pt)，或金(Au)，厚度在100纳米至1微 米之间；4) 为了控制记忆元件的有效尺寸，在非反应电极膜上沉积厚度为30纳米至 300纳米的二氧化硅薄膜绝缘层11,然后在此绝缘层11上刻蚀直径为30纳米至 IO微米的孔，露出非反应电极膜IO，此微孔的尺寸即为记忆元件有效工作区域 的尺度；5) 绝缘层11上部沉积非晶固体电解质(Agl) x (AgP03) n薄膜12 ，其厚度为100 纳米至500纳米，注意在绝缘层11被刻蚀了微孔的部位，使非晶(Agl),(AgPO丄—x薄膜12与非反应电极膜10必须紧密接触；6) 在非晶(AglL(AgP03)卜x薄膜12的上部沉积厚度为200纳米至800纳米的 反应电极膜14，其材料为银(Ag)或银合金；7) 由反应电极膜14和非反应电极膜10分别接出用金丝或铜丝制成的引线 13,15。使该非晶固体电解质薄膜所制备的非挥发性相变记忆元件的工作原理我们采用了一种新型材料一非晶固体电解质(Agl),(AgP03)h薄膜12，将此 膜夹在反应电极膜14 (银膜)和非反应电极膜10 (铂膜)之间构筑成一个微型 三明治结构，这就是一个记忆单元。在反应电极14上施加高于一定阈值的正电 压，反应电极14中的部分银原子转变为银离子进入非晶固体电解质 (AglK(AgP03)h薄膜12并形成纳米尺度的银线通道，电导随之大幅度上升。反 之，非反应电极10上施加高于一定阈值的正电压，铂原子不能转变为铂离子进 入非晶固体电解质(Agl)x(AgP03)卜x薄膜12，而非晶固体电解质(Agl)x(AgPO:'),—x 薄膜12中的银离子将部分地转变为银原子沉积在反应电极14上，这导致原先的 纳米尺度银线通道瓦解，电导随之大幅度下降。这里的高、低电阻状态就构成了 布尔代数中的0和1两个状态。可以用负或正的高于阈值的电压(0.2 — 3 V)脉冲实现高、低电阻状态，亦即擦除和写入，利用低于阈值的电压 (0.02-0.1 V)脉冲测量元件的电阻则可实现非破坏性读出。利用这种原理和结 构我们制成了新型的非挥发记忆元件。它的基本构型为三明治结构，像一个微型 电容器，尺度可在30纳米至10微米之间。它具有体积小、结构简单、非挥发、可快速读写、工作电压低、低能耗、无运动部件、非破坏性读出等优点。使用该 非晶固体电解质薄膜制备的非挥发相变记忆元件的性能测试对制得的记忆元件进行性能测试的仪器为Keithley 2400源测单元； Agilent 33250A函数/任意波形发生器；LeCroy WaveRunner 62Xi示波器。主 要测试器件对一个周期变化电压的响应及器件对读取一写入一读取一擦除电压 周期信号的响应。3.有益效果1)使用该方法制备的薄膜经过X射线荧光分析，其成分与设计成分基本一 致，使用X射线衍射分析，其结构为非晶态。2)使用该薄膜制备非挥发性记忆元件具有以下有益效果a)在该记忆元件的反应电极膜14上施加一个正电压，当此电压达到一定阈值，记忆元件由高电阻态突然转变为低电阻态，施加的电压逐步减小并变为负值，记忆元件的电阻保持在低电阻态，直至反应电极膜14上施加负电压的绝 对值达到一定阈值，记忆元件由低电阻态突然转变为高电阻态。图2详细地显示了 (Agl),(AgPO:i)h记忆元件对电压的响应，即加电压并同时测量响应电流随电压变化的情况。从图中可以看出从e点到a点，记忆元件呈现高阻态(电 阻在107欧姆量级)；当超过a点，器件电阻呈现跃变，响应电流突然增大，从 b点到c点呈现一种线性电压一电流关系，记忆元件变为低阻态(电阻为10 欧姆量级)，从c点开始，记忆元件响应呈现负的微分电阻，到d点器件又回到 高阻态，从d点到e点器件保持高阻态不变，高低阻态电阻/阻抗值的比为106， 这一测试结果说明(Agl),(AgP03)卜x本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非晶固体电解质薄膜银碘磷氧，其特征在于组成该薄膜的化学式为（ＡｇＩ）↓［ｘ］（ＡｇＰＯ↓［３］）↓［１－ｘ］，其中，该薄膜在室温下为非晶态，０≤ｘ≤０．７。

【技术特征摘要】
1. 一种基于非晶固体电解质薄膜银碘磷氧，其特征在于组成该薄膜的化学式为(AgI)x(AgPO3)1-x，其中，该薄膜在室温下为非晶态，0≤x≤0.7。2. —种制备权利要求1所述的非晶固体电解质(Agl)x(AgPO:,)h薄膜材料的脉冲激光沉积方法，其制备步骤如下a) (Agl)x(AgPO丄—x玻璃靶材4是用Agl、 AgN03、(顺4)2^04粉末熔炼制备的； 在45(TC 600'C熔化以上粉末的化学配比(raol% Agl: mol 。％ AgN03:mol%(NH4)2HP04=x:l-x:l-x)混合物；将熔液浇至铜模中，冷却凝 固后制成(Agl)...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷江，国洪轩，尹奎波，陈亮，刘治国，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]