利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，包括以下步驟：1）提供氧化物單晶襯底；2）自注入面向所述氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入，而后在注入面形成下電極；或在注入面形成下電極，而后自注入面向氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入；3）提供支撐襯底，將步驟2）得到的結(jié)構(gòu)與支撐襯底鍵合；4）沿缺陷層剝離部分氧化物單晶襯底，以得到氧化物單晶薄膜，并使得到的氧化物單晶薄膜及下電極轉(zhuǎn)移至支撐襯底上；5）在氧化物單晶薄膜表面形成上電極。本發(fā)明有效地降低了剝離及轉(zhuǎn)移薄膜所需的離子總注入劑量，進(jìn)而縮短了制備周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本；同時，使用該方法還可以解決部分材料使用單一離子注入無法實(shí)現(xiàn)剝離的問題。
【專利說明】
利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]非易失性存儲器是半導(dǎo)體領(lǐng)域中的重要組成部分，在半導(dǎo)體行業(yè)中占有舉足輕重的地位。隨著近些年工藝技術(shù)的進(jìn)步和智能手機(jī)、移動存儲、平板電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的不斷普及，極大地帶動了非易失性存儲器的消費(fèi)，全球的存儲器市場對非易失性存儲器的需求急劇增加。不僅如此，市場對存儲器的要求也不斷提高，如高容量、高速度、低功耗、低價(jià)格等等。這些要求進(jìn)一步推動了現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)不斷向前發(fā)展。而現(xiàn)有的基于電荷存儲的浮柵結(jié)構(gòu)閃存存儲器在半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)向前推進(jìn)的過程中遇到了不可逾越的極限，因此，尋找一種在新的工藝節(jié)點(diǎn)下能代替現(xiàn)有閃存存儲器的新型非易失性存儲器技術(shù)成為當(dāng)前存儲器發(fā)展領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。阻變存儲器以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。阻變存儲器是簡單的兩端存儲器件，它們能夠根據(jù)所應(yīng)用寫電壓/電流來改變內(nèi)部電阻態(tài)并在撤去寫電壓/電流后保持電阻態(tài)，阻變存儲器具有單元尺寸小、讀寫速度快、非易失、低能耗等特點(diǎn)，因而被認(rèn)為是下一代新型存儲器的有力競爭者。
[0003]阻變存儲器器件制備的一般工藝流程是在金屬底電極上沉積氧化物介質(zhì)薄膜，然后在氧化物薄膜上制備金屬頂電極，形成金屬-氧化物-金屬的三明治結(jié)構(gòu)。其中關(guān)鍵技術(shù)是阻變氧化物介質(zhì)薄膜的制備，常見的阻變氧化物介質(zhì)薄膜制備方法包括脈沖激光沉積法、磁控濺射法、原子層沉積法、熱蒸發(fā)法等。然而，這些傳統(tǒng)的薄膜制備方法都存在著許多問題，比如，一般都需要在較高的溫度下生長氧化物薄膜，很難與現(xiàn)有CMOS工藝相兼容。此夕卜，由于受晶格失配、熱失配以及界面缺陷等因素的影響，這些傳統(tǒng)的薄膜制備方法都無法在多晶金屬底電極上生長出高質(zhì)量的單晶氧化物薄膜。材料的阻變特性是與材料中的缺陷密切相關(guān)的，非晶或多晶薄膜作為阻變氧化物介質(zhì)層存在的問題包括:一方面，非晶和多晶薄膜中都存在多種不同的缺陷，這對于材料阻變機(jī)理的研究是一個很大的挑戰(zhàn)；另一方面，缺陷在非晶和多晶薄膜中的分布是隨機(jī)的，這對于縮小器件尺寸、器件參數(shù)的穩(wěn)定與優(yōu)化、可靠性研究等都是難以突破的瓶頸。因此，推動阻變存儲器發(fā)展的關(guān)鍵在于如何在金屬襯底上高效地制備高質(zhì)量單晶氧化物薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出了一種利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中采用傳統(tǒng)的薄膜制備方法制備單晶氧化物阻變存儲器存在的問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，至少包括以下步驟:
[0006]I)提供氧化物單晶襯底，所述氧化物單晶襯底的一面為注入面；
[0007]2)自所述注入面向所述氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入，而后在所述注入面形成下電極;或在所述注入面形成下電極，而后自所述注入面向所述氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入;離子注入的能量足以使注入離子到達(dá)所述氧化物單晶襯底內(nèi)的預(yù)設(shè)深度，并在所述預(yù)設(shè)深度處形成缺陷層；
[0008]3)提供支撐襯底，將步驟2)得到的結(jié)構(gòu)與所述支撐襯底鍵合，且所述下電極與所述支撐襯底相接觸；
[0009]4)沿所述缺陷層剝離部分所述氧化物單晶襯底，以得到氧化物單晶薄膜，并使得到的所述氧化物單晶薄膜及所述下電極轉(zhuǎn)移至所述支撐襯底上；
[0010]5)在所述氧化物單晶薄膜表面形成上電極。
[0011]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，步驟I)與步驟2)之間，還包括對所述氧化物單晶襯底進(jìn)行清洗的步驟。
[0012]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，在所述氧化物單晶襯底內(nèi)注入的離子為H離子或He離子。
[0013]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，離子注入的能量為5keV?lOOOkeV，離子注入的劑量為lX10161ns/cm2?6X10171ns/cm2，離子注入的溫度為-50°C?700°C。
[0014]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，在所述氧化物單晶襯底內(nèi)注入的離子為H離子及He離子。
[0015]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，所述H離子的注入在所述He離子的注入之前進(jìn)行。
[0016]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，所述H離子的注入在所述He離子的注入之后進(jìn)行。
[0017]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，所述H離子及所述He離子同時注入。
[0018]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，所述H離子及He離子的離子注入的能量為5keV?lOOOkeV，離子注入的劑量為I X10161ns/cm2?6 X 10171ns/cm2，離子注入的溫度為-50°C?700°C。
[0019]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，所述預(yù)設(shè)深度為1nm?50μηι。
[0020]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中，采用直接鍵合、介質(zhì)層鍵合、金屬鍵合或陽極鍵合工藝將步驟2)得到的結(jié)構(gòu)與所述支撐襯底鍵合。
[0021]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，將步驟3)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理以沿所述缺陷層剝離部分所述氧化物單晶襯底，以得到所述氧化物單晶薄膜。
[0022]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，所述退火處理在真空環(huán)境下或在氮?dú)?、氧氣及惰性氣體中至少一種氣體形成的保護(hù)氣氛下進(jìn)行，退火溫度為150°C?1200°C，退火時間為5分鐘?24小時。
[0023]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)與步驟5)之間，還包括在所述氧化物單晶薄膜內(nèi)注入惰性氣體的步驟。
[0024]作為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)與步驟5)之間，還包括對所述氧化物單晶薄膜進(jìn)行表面平坦化處理的步驟。
[0025]本發(fā)明的一種利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的有益效果為:采用離子剝離工藝形成氧化物單晶薄膜，氧化物單晶薄膜與支撐襯底通過鍵合的方式集成，因此對晶格匹配度幾乎沒有要求，氧化物單晶薄膜材料與支撐襯底材料的選擇較為靈活;得到的氧化物單晶薄膜實(shí)際上是被剝離塊材的一部分，因此其晶體質(zhì)量和性能理論上與塊材相當(dāng)，若使用單晶塊材進(jìn)行剝離，則可以得到單晶的薄膜材料;與傳統(tǒng)薄膜生長技術(shù)得到的薄膜材料不同，采用鍵合的方式可以將缺陷控制在界面附近極小的厚度范圍內(nèi)，氧化物單晶薄膜內(nèi)部晶格質(zhì)量不受影響，即使剝離的氧化物單晶薄膜厚度很小，也能夠保證材料性能;可以在同一支撐襯底上同時集成不同種類的高質(zhì)量氧化物單晶薄膜，且各氧化物單晶薄膜材料的性能不受制備過程的影響，極大地提高器件的集成度與設(shè)計(jì)的靈活度;采用共離子注入，可以有效地降低剝離及轉(zhuǎn)移氧化物單晶薄膜所需的離子總注入劑量，進(jìn)而縮短了制備周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本;同時，使用該方法還可以解決部分材料使用單一離子注入無法實(shí)現(xiàn)剝離的問題。
【附圖說明】
[0026]圖1顯示為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法的流程圖。
[0027]圖2至圖10顯示為本發(fā)明的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法各步驟所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]元件標(biāo)號說明
[0029]I 氧化物單晶襯底
[0030]11 注入面
[0031]12 缺陷層
[0032]2下電極
[0033]3 支撐襯底
[0034]4上電極層
[0035]41 上電極
[0036]5 氧化物單晶薄膜
【具體實(shí)施方式】
[0037]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0038]請參閱圖1?圖10。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，雖圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0039]請參閱圖1，本發(fā)明提供一種利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，所述方法至少包括以下步驟:
[0040 ] SI:提供氧化物單晶襯底，所述氧化物單晶襯底的一面為注入面；
[0041]S2:自所述注入面向所述氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入，而后在所述注入面形成下電極;或在所述注入面形成下電極，而后自所述注入面向所述氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入;離子注入的能量足以使注入離子到達(dá)所述氧化物單晶襯底內(nèi)的預(yù)設(shè)深度，并在所述預(yù)設(shè)深度處形成缺陷層；
[0042]S3:提供支撐襯底，將步驟2)得到的結(jié)構(gòu)與所述支撐襯底鍵合，且所述下電極與所述支撐襯底相接觸；
[0043]S4:沿所述缺陷層剝離部分所述氧化物單晶襯底，以得到氧化物單晶薄膜，并使得到的所述氧化物單晶薄膜及所述下電極轉(zhuǎn)移至所述支撐襯底上；
[0044]S5:在所述氧化物單晶薄膜表面形成上電極。
[0045]執(zhí)行步驟SI，請參閱圖1中的SI步驟及圖2，提供氧化物單晶襯底I，所述氧化物單晶襯底I的一面為注入面11。
[0046]作為示例，所述氧化物單晶襯底I可以為但不僅限于鈮酸鋰襯底或鉭酸鋰襯底。
[0047]作為示例，提供所述氧化物單晶襯底I之后，對所述氧化物單晶襯底I進(jìn)行清洗。對所述氧化物單晶襯底I進(jìn)行清洗的方法可以為半導(dǎo)體領(lǐng)域常用的襯底清洗方法，此次不做限定。對所述氧化物襯底I進(jìn)行清洗，可以清除位于所述氧化物襯底I表面的雜質(zhì)，以提高后續(xù)再所述氧化物單晶襯底I表面形成下電極的質(zhì)量。
[0048]執(zhí)行步驟S2，請參閱圖1中的S2步驟及圖3至圖6，自所述注入面11向所述氧化物單晶襯底I內(nèi)進(jìn)行離子注入，而后在所述注入面11形成下電極2;或在所述注入面11形成下電極2，而后自所述注入面11向所述氧化物單晶襯底I內(nèi)進(jìn)行離子注入;離子注入的能量足以使注入離子到達(dá)所述氧化物單晶襯底I內(nèi)的預(yù)設(shè)深度，并在所述預(yù)設(shè)深度處形成缺陷層12。
[0049]在一示例中，先自所述注入面11向所述氧化物單晶襯底I內(nèi)進(jìn)行離子注入，如圖3所示，而后，在所述注入面11的表面形成所述下電極2，如圖4所示。
[0050]在另一示例中，先在所述注入面11的表面形成所述下電極2，如圖5所示，而后，自所述注入面11向所述氧化物單晶襯底I內(nèi)進(jìn)行離子注入。
[0051]作為示例，所述預(yù)設(shè)深度可以為但不僅限于1nm?50μπι，即注入離子形成的所述缺陷層12與所述注入面11的距離可以為但不僅限于1nm?50μπι。
[0052]作為示例，所述下電極2的厚度可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，優(yōu)選地，本實(shí)施例中，所述下電極的厚度為1nm?2μηι0
[0053]作為示例，所述下電極2可以為單一金屬薄膜結(jié)構(gòu)，也可以為不同的金屬薄膜層的疊層結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，本實(shí)施例中，所述下電極2的材料可以為但不僅限于411/11、411/0、？1:/11等低電阻金屬。
[0054]在一實(shí)施例中，在所述氧化物單晶襯底I內(nèi)進(jìn)行單類型離子注入，所注入的離子為H離子。所述H離子可以將所述氧化物單晶襯底I部分剝離的原理為利用H離子會對剝離深度處(即缺陷層12處)的晶格形成破壞作用而實(shí)現(xiàn)。
[0055]由于形成所述缺陷層12的深度由離子注入的能量決定，而能否形成分離所需的缺陷密度由離子注入的劑量決定，因此，在離子注入的過程中要選擇合適的離子注入劑量和離子注入能量。又形成的所述缺陷層12的深度直接決定了最終得到的厚膜的厚度，本實(shí)施例中，所述H離子的離子注入的能量為5keV?lOOOkeV，離子注入的劑量為I X 10161ns/cm2?6X10171ns/cm2，離子注入的溫度為-50°C?700°C。
[0056]在另一實(shí)施例中，同樣在所述氧化物單晶襯底I內(nèi)進(jìn)行單類型離子注入，但在該實(shí)施例中，所注入的離子為He離子。He離子被注入氧化物單晶襯底內(nèi)后會在所述氧化物單晶襯底內(nèi)產(chǎn)生缺陷，所述He離子會旋入所述缺陷中并產(chǎn)生壓強(qiáng)，所述缺陷在所述缺陷層12內(nèi)呈高斯分布，在后續(xù)的處理過程中，部分所述氧化物單晶襯底可以從缺陷濃度最大處實(shí)現(xiàn)剝離。
[0057]作為示例，所述He離子的離子注入的能量為5keV?lOOOkeV，離子注入的劑量為IX 10161ns/cm2?6 X 10171ns/cm2，離子注入的溫度為-50°C?700°C。
[0058]在另一實(shí)施例中，在所述氧化物單晶襯底I內(nèi)進(jìn)行兩種類型離子的共注入，所述注入的離子為H離子及He離子。其中，H離子如上所述用于形成缺陷，所述缺陷在所述缺陷層12內(nèi)呈高斯分布;而He屬于惰性元素，與所述氧化物單晶襯底不產(chǎn)生化學(xué)作用，但它們可以被H離子形成的平臺缺陷捕獲并通過物理作用使這些平臺型缺陷擴(kuò)大并相互結(jié)合，最終形成可以分離氧化物單晶襯底的裂痕，進(jìn)而促進(jìn)部分所述氧化物單晶襯底從缺陷濃度最大處實(shí)現(xiàn)剝離。在所述氧化物單晶襯底I內(nèi)進(jìn)行H離子與He離子的共注入，He離子可以被H離子形成的缺陷捕獲，進(jìn)而進(jìn)入原子間隙中并施加壓強(qiáng)，相當(dāng)于在H離子已產(chǎn)生的缺陷內(nèi)部施加了一額外的作用力，可以有效地促進(jìn)所述氧化物單晶襯底I在離子注入劑量較低的情況下剝離，即可以有效地降低離子注入的總劑量，進(jìn)而縮短了制備周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
[0059]作為示例，所述H離子及所述He離子共注入的方式可以依次進(jìn)行注入，也可以同時進(jìn)行注入，即所述H離子的注入可以在所述He離子的注入之前進(jìn)行，也在所述He離子的注入之后進(jìn)行，還可以與所述He離子的注入同時進(jìn)行。圖3及圖6中所示的垂直于所述氧化物單晶襯底I的注入面11的箭頭表示離子注入的方向。
[0060]需要說明的是，為了使得注入的He離子容易被H離子形成的缺陷所捕獲，He離子注入的深度需與H離子注入的深度相同或相近，即需保證He離子的射程(Rp)在所述H離子注入的射程附近。
[0061]執(zhí)行步驟S3，請參閱圖1中的S3步驟及圖7，提供支撐襯底3，將步驟2)得到的結(jié)構(gòu)與所述支撐襯底3鍵合，且所述下電極2與所述支撐襯底3相接觸。
[0062]作為示例，所述支撐襯底3可以為與所述氧化物單晶襯底I的材料相同的襯底，也可以為娃等其他的異質(zhì)襯底。
[0063]作為示例，可以采用直接鍵合工藝、介質(zhì)層鍵合工藝、金屬鍵合工藝或陽極鍵合工藝將步驟2)得到的結(jié)構(gòu)與所述支撐襯底3鍵合。所述介質(zhì)層鍵合工藝包括生長介質(zhì)層鍵合工藝、聚合物鍵合工藝、熔融玻璃鍵合工藝及旋涂玻璃鍵合工藝。
[0064]執(zhí)行步驟S4，請參閱圖1中的S4步驟及圖8，所述缺陷層12剝離部分所述氧化物單晶襯底I，以得到單晶氧化物薄膜5，并使得到的所述氧化物單晶薄膜5及所述下電極2轉(zhuǎn)移至所述支撐襯底3上。
[0065]在一實(shí)施例中，沿所述缺陷層12剝離部分所述氧化物單晶襯底I的具體方法為:將形成有缺陷層12的所述氧化物單晶襯底I進(jìn)行退火處理，以實(shí)現(xiàn)部分所述氧化物單晶襯底I沿所述缺陷層12剝離。具體的，退火工藝在真空環(huán)境下或在氮?dú)饧岸栊詺怏w中至少一種氣體形成的保護(hù)氣氛下進(jìn)行，退火溫度為150 °C?1200 °C，退火時間為5分鐘?24小時。在150°C?1200°C的退火過程中，注入離子(S卩H離子、He離子)會受熱膨脹，增大其對原子施加的壓強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)所述氧化物單晶襯底I從缺陷濃度最大處實(shí)現(xiàn)剝離，以得到所述氧化物單晶薄膜5。
[0066]在另一實(shí)施例中，沿所述缺陷層12剝離所述氧化物單晶襯底I，以得到所述氧化物單晶薄膜5的具體方法為:首先，將形成有缺陷層12的所述氧化物單晶襯底I進(jìn)行退火處理，退火工藝在真空環(huán)境下或在氮?dú)饧岸栊詺怏w中至少一種氣體形成的保護(hù)氣氛下進(jìn)行，退火溫度為150°C?1200°C，退火時間為5分鐘?24小時；其次，退火處理后，在所述缺陷層12處施加橫向機(jī)械力，以實(shí)現(xiàn)部分所述氧化物單晶襯底I沿所述缺陷層12剝離，以得到所述氧化物單晶薄膜5。由于所述氧化物單晶襯底I能否形成分離所需的缺陷密度由離子注入的劑量決定，因此，若只通過退火實(shí)現(xiàn)所述氧化物單晶襯底I自所述缺陷層12處分離，就需要在所述氧化物單晶襯底I內(nèi)注入特定劑量的離子;而在所述缺陷層12處施加橫向機(jī)械力，即使所述氧化物單晶襯底I內(nèi)離子注入的劑量比較小，未能形成分離所需的缺陷密度，在外力的作用下亦可以實(shí)現(xiàn)所述氧化物單晶襯底I自所述缺陷層12處分離，即在所述缺陷層12處施加橫向機(jī)械力可以降低離子總注入劑量，促進(jìn)所述氧化物單晶襯底I自所述缺陷層12處剝離，以得到所述氧化物單晶薄膜5，進(jìn)而縮短了制備周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
[0067]在另一實(shí)施例中，沿所述缺陷層12剝離所述氧化物單晶襯底I，以得到所述單晶氧化物薄膜5的具體方法為:首先，將形成有缺陷層12的所述氧化物單晶襯底I進(jìn)行退火處理，退火工藝在真空環(huán)境下或在氮?dú)饧岸栊詺怏w中至少一種氣體形成的保護(hù)氣氛下進(jìn)行，退火溫度為150°C?1200°C，退火時間為5分鐘?24小時;其次，退火處理后，保持退火溫度，在所述氧化物單晶襯底I的注入面11沉積輔助材料層后快速冷卻;其中，所述輔助材料層與所述氧化物單晶襯底I具有不同的熱膨脹系數(shù)。
[0068]作為示例，所述輔助材料可以為與所述氧化物單晶襯底I熱膨脹系數(shù)不同的任一種物質(zhì)，優(yōu)選地，本實(shí)施例中，所述輔助材料為高聚物。由于所述輔助材料與所述氧化物單晶襯底I具有不同的熱膨脹系數(shù)，尤其是二者的熱膨脹系數(shù)差異較大時，在快速冷卻的過程中會在二者組成的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使所述氧化物單晶襯底I在注入缺陷濃度最大處實(shí)現(xiàn)剝離。快速冷卻的方式可以為但不僅限于隨爐冷卻。
[0069]由于所述氧化物單晶襯底I能否形成分離所需的缺陷密度由離子注入的劑量決定，因此，若只通過退火實(shí)現(xiàn)所述氧化物單晶襯底I自所述缺陷層12處分離，就需要在所述氧化物單晶襯底I內(nèi)注入特定劑量的離子;而在所述氧化物單晶襯底I的注入面沉積輔助材料層后快速冷卻，使得二者形成的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力，即使所述氧化物單晶襯底I內(nèi)離子注入的劑量比較小，未能形成分離所需的缺陷密度，在所述熱應(yīng)力的作用下亦可以實(shí)現(xiàn)所述氧化物單晶襯底I自所述缺陷層12處分離，即在所述氧化物單晶襯底I的注入面沉積輔助材料層并快速冷卻可以降低離子總注入劑量，促進(jìn)所述氧化物單晶襯底I自所述缺陷層12處剝離，以得到所述氧化物單晶薄膜5，進(jìn)而縮短了制備周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
[0070]作為示例，執(zhí)行步驟S4之后，還包括在所述氧化物單晶薄膜5內(nèi)注入惰性氣體的步驟。在所述氧化物單晶薄膜5內(nèi)注入惰性氣體，可以在所述氧化物單晶薄膜5內(nèi)引入應(yīng)力及缺陷，以調(diào)控所述氧化物單晶薄膜5的阻變特性。
[0071]作為示例，執(zhí)行步驟S4之后，還包括對所述氧化物單晶薄膜5進(jìn)行表面平坦化處理的步驟，以確保后續(xù)形成的上電極的質(zhì)量。
[0072]執(zhí)行步驟S5，請參閱圖1中的S5步驟及圖9至圖10，在所述氧化物單晶薄膜5表面形成上電極41。
[0073]作為示例，在所述氧化物單晶薄膜5表面形成上電極41的具體方法為:首先，在所述氧化物單晶薄膜5表面形成上電極層4，如圖9所示;然后，通過光刻刻蝕工藝形成所述上電極41，如圖10所示。
[0074]作為示例，所述上電極41的厚度可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，優(yōu)選地，本實(shí)施例中，所述下上電極41的厚度為1nm?2μηι0
[0075]作為示例，所述上電極41可以為單一金屬薄膜結(jié)構(gòu)，也可以為不同的金屬薄膜層的疊層結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，本實(shí)施例中，所述上電極41的材料可以為但不僅限于Au/T1、Au/Cr、Pt/Ti等低電阻金屬。
[0076]綜上所述，本發(fā)明提供一種利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，至少包括以下步驟:I)提供氧化物單晶襯底，所述氧化物單晶襯底的一面為注入面；
2)自所述注入面向所述氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入，而后在所述注入面形成下電極；或在所述注入面形成下電極，而后自所述注入面向所述氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入；離子注入的能量足以使注入離子到達(dá)所述氧化物單晶襯底內(nèi)的預(yù)設(shè)深度，并在所述預(yù)設(shè)深度處形成缺陷層;3)提供支撐襯底，將步驟2)得到的結(jié)構(gòu)與所述支撐襯底鍵合，且所述下電極與所述支撐襯底相接觸;4)沿所述缺陷層剝離所述氧化物單晶襯底，以得到氧化物單晶薄膜，并使得到的所述氧化物單晶薄膜及所述下電極轉(zhuǎn)移至所述支撐襯底上;5)在所述氧化物單晶薄膜表面形成上電極。采用離子剝離工藝形成氧化物單晶薄膜，氧化物單晶薄膜與支撐襯底通過鍵合的方式集成，因此對晶格匹配度幾乎沒有要求，氧化物單晶薄膜材料與支撐襯底材料的選擇較為靈活;得到的氧化物單晶薄膜實(shí)際上是被剝離塊材的一部分，因此其晶體質(zhì)量和性能理論上與塊材相當(dāng)，若使用單晶塊材進(jìn)行剝離，則可以得到單晶的薄膜材料;與傳統(tǒng)薄膜生長技術(shù)得到的薄膜材料不同，采用鍵合的方式可以將缺陷控制在界面附近極小的厚度范圍內(nèi)，氧化物單晶薄膜內(nèi)部晶格質(zhì)量不受影響，即使剝離的氧化物單晶薄膜厚度很小，也能夠保證材料性能;可以在同一支撐襯底上同時集成不同種類的高質(zhì)量氧化物單晶薄膜，且各氧化物單晶薄膜材料的性能不受制備過程的影響，極大地提高器件的集成度與設(shè)計(jì)的靈活度;采用共離子注入，可以有效地降低剝離及轉(zhuǎn)移氧化物單晶薄膜所需的離子總注入劑量，進(jìn)而縮短了制備周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本；同時，使用該方法還可以解決部分材料使用單一離子注入無法實(shí)現(xiàn)剝離的問題。
[0077]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于，至少包括以下步驟: 1)提供氧化物單晶襯底，所述氧化物單晶襯底的一面為注入面； 2)自所述注入面向所述氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入，而后在所述注入面形成下電極;或在所述注入面形成下電極，而后自所述注入面向所述氧化物單晶襯底內(nèi)進(jìn)行離子注入;離子注入的能量足以使注入離子到達(dá)所述氧化物單晶襯底內(nèi)的預(yù)設(shè)深度，并在所述預(yù)設(shè)深度處形成缺陷層； 3)提供支撐襯底，將步驟2)得到的結(jié)構(gòu)與所述支撐襯底鍵合，且所述下電極與所述支撐襯底相接觸； 4)沿所述缺陷層剝離部分所述氧化物單晶襯底，以得到氧化物單晶薄膜，并使得到的所述氧化物單晶薄膜及所述下電極轉(zhuǎn)移至所述支撐襯底上； 5)在所述氧化物單晶薄膜表面形成上電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:步驟I)與步驟2)之間，還包括對所述氧化物單晶襯底進(jìn)行清洗的步驟。3.根據(jù)權(quán)利要I所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:步驟2)中，在所述氧化物單晶襯底內(nèi)注入的離子為H離子或He離子。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:離子注入的能量為5keV?100keV，離子注入的劑量為I X 10161ns/cm2?6 X10171ns/cm2，離子注入的溫度為-50°C?700°C。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:步驟2)中，在所述氧化物單晶襯底內(nèi)注入的離子為H離子及He離子。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:所述H離子的注入在所述He離子的注入之前進(jìn)行。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:所述H離子的注入在所述He離子的注入之后進(jìn)行。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:所述H離子及所述He離子同時注入。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:所述H離子及He離子的離子注入的能量為5keV?lOOOkeV，離子注入的劑量為IX 10161ns/cm2?6 X 10171ns/cm2，離子注入的溫度為-50°C?700°C。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:步驟2)中，所述預(yù)設(shè)深度為10nm?50ym。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:步驟3)中，采用直接鍵合、介質(zhì)層鍵合、金屬鍵合或陽極鍵合工藝將步驟2)得到的結(jié)構(gòu)與所述支撐襯底鍵合。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:步驟4)中，將步驟3)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理以沿所述缺陷層剝離部分所述氧化物單晶襯底，以得到所述氧化物單晶薄膜。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:所述退火處理在真空環(huán)境下或在氮?dú)?、氧氣及惰性氣體中至少一種氣體形成的保護(hù)氣氛下進(jìn)行，退火溫度為150°C?1200°C，退火時間為5分鐘?24小時。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:步驟4)與步驟5)之間，還包括在所述氧化物單晶薄膜內(nèi)注入惰性氣體的步驟。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子注入剝離技術(shù)制備單晶氧化物阻變存儲器的方法，其特征在于:步驟4)與步驟5)之間，還包括對所述氧化物單晶薄膜進(jìn)行表面平坦化處理的步驟。
【文檔編號】H01L45/00GK105895801SQ201610527906
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】歐欣, 游天桂, 黃凱, 賈棋, 伊艾倫, 王曦
【申請人】中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所