[发明专利]一种基于MOS管的忆容器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于MOS管的忆容器及其制备方法。该忆容器的结构为：在衬底上依次生长有第一氧化物介质层、CuO_x纳米晶层、第二氧化物介质层以及顶电极。通过在氧化物介质层中掺入具有忆阻特性的CuO_x纳米晶，构成介电常数可调的复合介质层，从而使器件具有电容可调的功能。本发明的忆容器具有结构简单、环境友好、电容调节方便、可调范围大(可调率超过3000％)和可重构等优点。

技术领域

本发明属于微电子器件领域，涉及一种基于MOS管忆容器及其制备方法。

背景技术

忆阻器的概念是由蔡少棠教授在1971年首先提出，直到2008年，HP实验室才首次成功制得基于双层二氧化钛薄膜的固体忆阻器。2009年，蔡少棠等在IEEE上撰文将记忆系统的概念扩展到容性和感性元件中，并详细阐述了忆容器和忆感器的特性。忆阻器、忆容器、忆感器统称为记忆元件。记忆元件凭借其纳米尺寸、低功耗、集成密度高及非线性特性，被广泛应用于存储、人工神经网络、非线性科学等领域，同时被认为是最有可能延续摩尔定律的新型元件。

忆阻器、忆容器和忆感器区别于普通的无源器件的一个特征就是其阻态、容态和感态取决于系统的历史状态，即具有记忆性。其中，忆容器根据其电容改变的物理机制不同可分为以下几种：一、精确改变器件的物理尺寸，包括微机电系统(MEMS)、纳机电系统(NEMS)和弹性电容器等，它们在无线电通信等领域有广泛应用。但此类器件设计难度大，工作方式属于耗散型。二、改变介质层的介电常数，包括利用相变、离子注入、铁电极化来调节介质的电容。2009年，T.Driscoll等人在《Science》上报道了利用VO₂的金属-绝缘体转变来实现电容的连续可调和记忆，可是其同时存在工作温度区间窄、电容可调范围低和阻值改变大等问题。2010年，M.Krems等人在《Nano Letters》上发表了离子注入型的忆容器文章，它利用离子受到外场作用后穿过纳米孔洞来改变溶液的电容，但是它工作需要溶液的参与，存在与微电子器件不兼容的问题。铁电忆容系统利用铁电畴在外场作用下发生翻转实现忆容的效果，但当电场撤去后，铁电调制效果逐渐消失。因此，寻找一种制备简单、工艺兼容、电容大范围可调、可编程和重构的忆容器显得至关重要。

磁控溅射是20世纪70年代发展起来的一种溅射技术，具有高速、低温、低损伤的特点，是物理气相沉积的一种。通过靶阴极表面中引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。原子层化学气相沉积(ALD)技术利用气相源在衬底表面吸附或反应的自饱和性实现逐层生长，生成薄膜的厚度只与循环周期的数目有关。由于具有独特的自限制生长特点，原子层沉积成膜具有精确的厚度控制、优异的三维贴合性和大面积成膜等优点，在制备超薄薄膜、纳米结构方面独具优势。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷，本发明提供一种基于MOS管的忆容器及其制备方法。

本发明忆容器采用的技术方案如下：

一种基于MOS管的忆容器，在衬底上依次生长有第一氧化物介质层、CuO_x纳米晶层、第二氧化物介质层以及顶电极。

进一步地，所述衬底是p-型掺杂的、电阻率为1～10Ω/cm的单晶硅。

进一步地，所述第一氧化物介质层的厚度为2～10nm，第二氧化物介质层的厚度为10～20nm。

优选地，所述CuO_x纳米晶层的厚度为2～10nm。

优选地，所述顶电极的结构为圆柱状点电极，直径为50～100μm，厚度为75～150nm。

本发明一种基于MOS管的忆容器的制备方法，其特征在于，步骤如下：

(1)在衬底表面生长第一氧化物介质层；

(2)在第一氧化物介质层上生长Cu薄膜，接着退火后自组装得到CuO_x纳米晶层；