一種線性緩變憶阻器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種線性緩變憶阻器及其制備方法，該憶阻器在電極和阻變材料的界面處插入了一層對離子擴散速率具有調(diào)制效應(yīng)的擴散調(diào)制層，本發(fā)明使得憶阻器導(dǎo)電細(xì)絲的形成和熔斷處的離子擴散速率可以通過插入的擴散調(diào)制層達到不同的調(diào)制效果，從而實現(xiàn)對憶阻器特性的優(yōu)化，使器件展現(xiàn)出阻值連續(xù)線性變化且更趨近于生物突觸的特性。同時，器件具有低功耗及制備工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝相兼容的優(yōu)點，對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算硬件的最終實現(xiàn)有著重要的意義。
【專利說明】
一種線性緩變憶阻器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體(semiconductor)和CMOS混合集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于類腦計算(brain-1nspired computing)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算(neuromorphiccomputing)系統(tǒng)中的新型憶阻器(memristor)的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，非馮諾依曼架構(gòu)的類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算有望在未來取代傳統(tǒng)的基于馮諾依曼體系架構(gòu)的數(shù)字計算模式。類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展將催生更加強大的運算能力，有望實現(xiàn)強大的并行處理能力，且類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算具有更強的容錯能力，其在功耗方面也有著巨大的優(yōu)勢。
[0003]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算系統(tǒng)中具有突觸功能的器件是整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中重要的組成部分。憶阻器屬于阻變(resistive switching)存儲器件，具有與生物神經(jīng)突觸非常類似的權(quán)值記憶效應(yīng)，非常適于作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算系統(tǒng)中的突觸器件。此外，憶阻器比傳統(tǒng)的互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件在尺寸縮小和功耗上有著不可比擬的優(yōu)勢。因此，基于憶阻器的非馮諾依曼體系架構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的發(fā)展在業(yè)界和學(xué)界引起了巨大的關(guān)注。
[0004]憶阻器依靠在外加電壓激勵下實現(xiàn)近似連續(xù)的阻值變化，在高阻態(tài)(“O”狀態(tài))和低阻態(tài)(“I”狀態(tài))之間可以實現(xiàn)可逆的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，在撤除電壓激勵后可以保持其阻態(tài)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的非易失性存儲，通過控制外加電壓的輸入信號將憶阻器變化的阻值與突觸的權(quán)值相對應(yīng)，即可用憶阻器實現(xiàn)突觸的功能。憶阻器結(jié)構(gòu)通常由簡單的金屬-氧化物-金屬的三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)成，因此可以通過簡單的crossbar結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)超大規(guī)模和極高密度的憶阻器陣列。
[0005]為了能夠更好的應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算系統(tǒng)的硬件中，憶阻器不僅要具有連續(xù)可調(diào)的阻值，其阻變特性還應(yīng)具有近似模擬信號的特性。因此憶阻器的設(shè)計需要考慮阻值動態(tài)調(diào)整的范圍、阻值的連續(xù)性、線性度、工作速度及功耗等性能，這些特性在實現(xiàn)高性能高效神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的硬件實現(xiàn)中起著重要的作用。雖然實現(xiàn)憶阻器的材料和器件多種多樣，但是滿足上述要求的憶阻器仍有待繼續(xù)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出了一種可以實現(xiàn)阻值變化趨近于模擬特性的憶阻器及其制備方法。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]—種憶阻器，包括襯底和位于襯底上的電極-阻變層-擴散調(diào)制層-電極結(jié)構(gòu)，所述器件電極之間設(shè)有阻變層和擴散調(diào)制層，所述電極-阻變層-擴散調(diào)制層-電極結(jié)構(gòu)可以是Metal-1nsulator-1nsulator-Metal 電容結(jié)構(gòu)、Meta 1-Semiconductor-Semi conductor-Metal電容結(jié)構(gòu)等，采用簡單的“三明治”結(jié)構(gòu)，所述阻變層即中間功能層可采用具有優(yōu)良阻變特性的電介質(zhì)，根據(jù)阻變層中起主要輸運作用的離子種類，選擇對該離子具有低離子擴散常數(shù)和高迀移激活能的材料作為擴散調(diào)制層。本發(fā)明利用擴散調(diào)制層材料的厚度變化及合理選擇擴散調(diào)制層材料與阻變層的匹配可以實現(xiàn)對憶阻器特性進行優(yōu)化，使器件展現(xiàn)出阻值連續(xù)線性變化且更趨近于生物突觸的特性。同時，器件的制備工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝相兼容。
[0009 ]進一步地，所述襯底為硅襯底或柔性有機材料襯底。
[0010]進一步地，所述電極由金屬材料通過半導(dǎo)體CMOS工藝實現(xiàn)。所述電極可采用多種金屬材料，如!"!!^!^!^、(^^!!!^。金屬電極材料的厚度為]^]!!]!-]。。]!!]!。
[0011 ] 進一步地，所述阻變層可采用TaOx、Hf 0X、S1x，或者SrT13等，厚度在5nm_50nm之間；也可采用有機材料，如parylene等，厚度在200nm-500nm之間。
[0012]進一步地，所述擴散調(diào)制層可以是Si02、Ti02、Al203、Hf02等，厚度在l-20nm之間。
[0013]本發(fā)明提供的憶阻器的制備方法，包括如下步驟:
[0014]I)在襯底上采用半導(dǎo)體CMOS工藝用低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)的方式在襯底上生長100nm-150nm厚的二氧化娃；
[0015]2)利用光刻在光刻膠上定義出底電極的圖形；
[0016]3)采用磁控濺射的方法淀積底電極金屬，剝離形成電極，并去除光刻膠；
[0017]4)采用PVD或者ALD的方式淀積阻變層；
[0018]5)采用PVD或者ALD的方式淀積擴散調(diào)制層；
[0019]6)利用光刻定義出底電極引出孔，刻蝕阻變層和擴散調(diào)制層，刻蝕截止層為底電極；
[0020]7)利用光刻在光刻膠上定義出頂電極和底電引出圖形，淀積金屬電極，剝離形成頂電極和底電極引圖形，并去除光刻膠;完成本發(fā)明憶阻器的制備。
[0021]本發(fā)明通過在電極和阻變材料的界面處插入一層對離子擴散速率具有調(diào)制效應(yīng)的擴散調(diào)制層，擴散調(diào)制層可以有效的調(diào)制離子(氧空位或者氧離子)擴散速率，使得憶阻器導(dǎo)電細(xì)絲的形成和熔斷處的離子擴散速率可以通過插入不同的擴散調(diào)制層達到不同的調(diào)制效果，最終實現(xiàn)對憶阻器阻變特性的有效調(diào)制，使器件展現(xiàn)出阻值連續(xù)線性變化且更趨近于生物突觸的特性。同時，器件具有低功耗及制備工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝相兼容的優(yōu)點。阻變層和擴散調(diào)制層可以使憶阻器更接近生物突觸的特性，對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算硬件的最終實現(xiàn)有著重要的意義。
【附圖說明】
[0022]圖1本發(fā)明所述憶阻器特性曲線示意圖。
[0023]圖2-6本發(fā)明實施例的實施步驟。其中:
[0024]I—襯底;2—底電極;3—阻變層;4 一擴散調(diào)制層;5—頂電極。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明進行進一步描述。
[0026]下面實施例分別采用TaOx和S12分別作為阻變層和擴散調(diào)制層實現(xiàn)新型憶阻器器件的制備。給出關(guān)鍵工藝步驟所采用的材料，并給出新型憶阻器器件的實施例。
[0027]氧化鉭和二氧化硅均是與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝相兼容的材料。基于氧化鉭的憶阻器有著優(yōu)異的存儲器性能，包括超高的耐久性、超快的開關(guān)速度和良好的保持特性。此外，氧化鉭還有著熱穩(wěn)定性高、化學(xué)性質(zhì)不活潑等特點。二氧化硅作為非常成熟的CMOS工藝中的柵介質(zhì)材料，材料性質(zhì)和參數(shù)非常明了，制備簡單且非?？煽?。兩種材料的優(yōu)勢相結(jié)合，加上巧妙的物理機制層面的設(shè)計，既滿足兼容CMOS工藝的要求，又能實現(xiàn)對于通過擴散調(diào)制層改善憶阻器特性的目標(biāo)，對于提高憶阻器的性能，改善憶阻器的特性，使其最終被應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的硬件中有著重要的意義。
[0028]I)選擇所采用的襯底材料，可根據(jù)用途進行選擇;例如選擇Si襯底；
[0029]2)光刻定義底電極圖形，采用PVD或蒸發(fā)淀積金屬底電極，底電極材料可以是Pt、TaN、Ir等，如圖2所不；
[0030]3)可采用PVD反應(yīng)濺射或ALD方式制備一層阻變薄膜材料，制備方法如下所述:
[0031 ]采用PVD反應(yīng)濺射方法制備一層阻變薄膜材料:具體材料可以是TaOx，Hf Ox等，厚度在20nm-50nm之間；或者，采用ALD方式淀積更薄的阻變薄膜材料:具體材料可以是Ta0x，Hf0x等，厚度在5-10nm之間，如圖3所示；
[0032]4)可采用PVD反應(yīng)濺射或ALD方式制備一層擴散調(diào)制層材料，制備方法如下所述。
[0033]采用PVD反應(yīng)濺射方法制備一層擴散調(diào)制層材料實現(xiàn)對形成和熔斷導(dǎo)電細(xì)絲的離子的擴散速率的調(diào)制，具體材料可以是S12、A1203等，厚度在lnm-4nm之間；或者，采用ALD的方式制備一層擴散調(diào)制層材料實現(xiàn)對形成和熔斷導(dǎo)電細(xì)絲的離子的擴散速率的調(diào)制，具體材料可以使Si02、Ah03等，厚度在lnm-5nm之間，如圖4所示；
[0034]5)采用干法刻蝕的方法在定義出來的圖形上刻蝕出底電極引出孔，刻蝕厚度為所淀積的阻變材料和擴散調(diào)制層材料厚度的和，并去除光刻膠，如圖5所示；
[0035]6)在上面的基礎(chǔ)上光刻頂電極圖形，并采用PVD或蒸發(fā)淀積金屬頂電極，頂電極材料可以是Ta、T iN等，厚度為50nm，剝離形成頂電極圖形，如圖6所示。
[0036]對于采用上述方法制備的憶阻器，采用固定脈沖(pulse)測試得到的其特性如圖1所示:圖中I一一器件在相同正向電壓的脈沖激勵下逐漸由高阻態(tài)向低阻態(tài)的變化過程；2一一器件在負(fù)向相同電壓的脈沖激勵下由低阻態(tài)向高阻態(tài)的變化過程。在正向脈沖下，隨著脈沖個數(shù)的不斷增加(圖1中隨時間增加)，憶阻器的電導(dǎo)逐漸增大，電導(dǎo)的變化呈現(xiàn)連續(xù)可調(diào)且接近線性的上升趨勢；在負(fù)向脈沖下，隨著脈沖個數(shù)的不斷增加(圖1中隨時間增加)，憶阻器的電導(dǎo)逐漸減小，電導(dǎo)的變化呈現(xiàn)連續(xù)可調(diào)且接近線性的下降趨勢。證明器件的阻值具有線性連續(xù)可調(diào)的特性，滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算對于突觸器件的特性要求。
[0037]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種憶阻器，其特征在于，包括襯底和位于襯底上依次疊置的材料層為電極、阻變層、擴散調(diào)制層和電極，上述阻變層采用具有阻變特性的電介質(zhì)，根據(jù)阻變層中起輸運作用的離子種類，選擇對該離子具有低離子擴散常數(shù)和高迀移激活能的材料作為擴散調(diào)制層。2.如權(quán)利要求1所述的憶阻器，其特征在于，所述襯底為硅襯底或柔性有機材料襯底。3.如權(quán)利要求1所述的憶阻器，其特征在于，所述電極采用1'^1^11、胃、01或1'^電極的厚度為100nm-200nmo4.如權(quán)利要求1所述的憶阻器，其特征在于，所述阻變層采用過渡金屬氧化物TaOx、HfOx、S1x 或者 SrT13,厚度在 5nm-50nm 之間。5.如權(quán)利要求1所述的憶阻器，其特征在于，所述阻變層采用有機材料parylene，厚度在 200nm-500nm 之間。6.如權(quán)利要求1所述的憶阻器，其特征在于，所述擴散調(diào)制層采用Si02、Ti02、Al203或HfO2,厚度在l-20nm之間。7.—種憶阻器的制備方法，包括如下步驟: 1)在襯底上采用半導(dǎo)體CMOS工藝用低壓化學(xué)汽相淀積在襯底上生長100nm-150nm厚的二氧化硅； 2)利用光刻在光刻膠上定義出底電極的圖形； 3)采用磁控濺射的方法淀積底電極金屬，剝離形成電極，并去除光刻膠； 4)采用PVD或者ALD的方式淀積阻變層； 5)采用PVD或者ALD的方式淀積擴散調(diào)制層； 6)利用光刻定義出底電極引出孔，刻蝕阻變層和擴散調(diào)制層，刻蝕截止層為底電極； 7)利用光刻在光刻膠上定義出頂電極和底電引出圖形，淀積金屬電極，剝離形成頂電極和底電極引圖形，并去除光刻膠;制得如權(quán)利要求1所述的憶阻器。
【文檔編號】H01L45/00GK106098932SQ201610425841
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】楊玉超, 王宗巍, 殷明慧, 張騰, 蔡茂, 蔡一茂, 王陽元, 黃如
【申請人】北京大學(xué)