[發明專利]一種高開關比二氧化釩薄膜及制備方法

在審

• 申請號: 202310146619.2
• 申請日: 2023-02-21
• 公開（公告）號: CN116200712A
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 顧德恩;熊志;趙天成;周鑫
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C23C14/08;C23C14/58;C23C14/02
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡

本發明提供一種高開關比二氧化釩薄膜及制備方法，包含如下步驟：(1)首先通過高溫薄膜沉積工藝在基片上沉積一層10?30nm二氧化釩種子層；(2)然后降低溫度，在步驟(1)獲得的二氧化釩種子層上繼續沉積所需厚度的氧化釩薄膜，得到由二氧化釩種子層和氧化釩薄膜構成的雙層薄膜；(3)將步驟(2)沉積獲得的雙層薄膜通過氣氛原位退火進行熱處理，以制備出具有高開關比的二氧化釩薄膜。經過電壓0V?2.2V?0V的連續掃描獲得的U?I特性曲線證實，依據本發明所制備的二氧化釩薄膜材料具有200?300的開關比，高于常規磁控濺射的多晶二氧化釩薄膜和電鑄形成的二氧化釩薄膜。

技術領域

本發明屬于高性能二氧化釩薄膜制備與半導體工藝兼容領域，具體涉及一種高開關比二氧化釩薄膜及制備方法。

背景技術

二氧化釩(VO₂)是一種在絕緣態和金屬態之間可逆相變的材料，絕緣態時呈單斜(M)相，金屬態時呈金紅石(R)相。VO₂相變溫度約為68℃，在多種具有相變特性的釩氧化物中最接近室溫。因此在各種釩氧化物中，VO₂獲得了最多的研究和最廣泛的應用。

VO₂在低于相變溫度時，M相有0.6eV的帶隙。當溫度超過相變溫度時，R相中這種帶隙消失。這種變化所耗費的時間為飛秒級別，同時帶來光電性能的改變。電學性能上，VO₂的相變會產生電阻率的變化，最高可達5個數量級。光學性能上，VO₂在相變同時會改變自生的透光性，可見光和紅外波段都有明顯變化。

VO₂在相變前后電阻率和光學透過率的變化已經獲得了多種應用。其中典型的有，非制冷紅外探測器、激光防護裝備、高靈敏度的光電閾值開關、溫致變色的智能窗等。除此之外，嶄露頭角的神經形態器件也能發現VO₂的身影。VO₂這種通過溫度帶來非線性的阻值變化，可以制備成莫特憶阻器。這種莫特憶阻器與其它類型的憶阻器相比，具有能耗低、速度快等優點，成為后CMOS時代神經形態計算最具潛力的方案之一。

釩是一種過渡元素，常見的價態有+2、+3、+4、+5，對應的氧化物為VO、V₂O₃、VO₂、V₂O₅。除此之外，還有很多種釩氧化物。磁控濺射制備二氧化釩薄膜是薄膜性能和制備成本速度的綜合考慮，但是由于釩-氧體系的復雜性，成品薄膜的厚度也基本在百納米級。所以實際使用磁控濺射方法制備的二氧化釩薄膜為多晶二氧化釩，薄膜中二氧化釩的晶粒尺寸不大，晶界多。上述現象直接導致二氧化釩薄膜的開關比不高，常規二氧化釩薄膜的開關比在50左右，電鑄形成的二氧化釩薄膜在100左右。這些產品逐漸難以滿足二氧化釩在閾值開關中的性能需求，同時使得二氧化釩憶阻器在神經形態器件的研發進展緩慢。使用激光脈沖沉積和分子束外延的方法來制備高開關比二氧化釩薄膜不僅成本高，而且效率低，完全不適合工業化生產。此外，制備高開關比二氧化釩薄膜通常使用二氧化鈦等單晶基片，這些基片不僅價格貴，還與單片集成存在兼容性問題。在本發明中，使用的是表面為非晶的基片，在有效的降低生產成本的同時還與單片集成工藝相兼容。首先在高溫基片上直接沉積一層單晶二氧化釩種子層，然后將基片降至硅基工藝安全的溫度下濺射二氧化釩功能層，最后將樣品進行常規的原位退火。種子層、功能層的沉積和退火都與硅基工藝兼容，不損壞基片上已集成的器件。其中，種子層讓后續的二氧化釩功能層具有很好的結晶性，實現了薄膜的高開關比。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種在兼容互補金屬-氧化物-半導體(CMOS)工藝的情況下制備高開關比二氧化釩薄膜的方法，該方法工藝設備依賴性底，操作簡單，適合工業化批量生產，并且制備過程中不會損壞基片上已經集成的硅基工藝器件。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：

一種高開關比二氧化釩薄膜制備方法，包括如下步驟：