CN106098932B - 一种线性缓变忆阻器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线性缓变忆阻器及其制备方法，该忆阻器在电极和阻变材料的界面处插入了一层对离子扩散速率具有调制效应的扩散调制层，本发明使得忆阻器导电细丝的形成和熔断处的离子扩散速率可以通过插入的扩散调制层达到不同的调制效果，从而实现对忆阻器特性的优化，使器件展现出阻值连续线性变化且更趋近于生物突触的特性。同时，器件具有低功耗及制备工艺与传统CMOS工艺相兼容的优点，对于神经网络计算硬件的最终实现有着重要的意义。

Description

一种线性缓变忆阻器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体(semiconductor)和CMOS混合集成电路技术领域，具体涉及一种适用于类脑计算(brain-inspired computing)的神经网络计算(neuromorphiccomputing)系统中的新型忆阻器(memristor)的器件结构设计及其制备方法。
背景技术
随着半导体产业的迅猛发展，非冯诺依曼架构的类脑神经网络计算有望在未来取代传统的基于冯诺依曼体系架构的数字计算模式。类脑神经网络的发展将催生更加强大的运算能力，有望实现强大的并行处理能力，且类脑神经网络计算具有更强的容错能力，其在功耗方面也有着巨大的优势。
神经网络计算系统中具有突触功能的器件是整个神经网络系统中重要的组成部分。忆阻器属于阻变(resistive switching)存储器件，具有与生物神经突触非常类似的权值记忆效应，非常适于作为神经网络计算系统中的突触器件。此外，忆阻器比传统的互补式金属氧化物半导体(CMOS)器件在尺寸缩小和功耗上有着不可比拟的优势。因此，基于忆阻器的非冯诺依曼体系架构的人工神经网络计算的发展在业界和学界引起了巨大的关注。
忆阻器依靠在外加电压激励下实现近似连续的阻值变化，在高阻态(“0”状态)和低阻态(“1”状态)之间可以实现可逆的状态转换，在撤除电压激励后可以保持其阻态，从而实现数据的非易失性存储，通过控制外加电压的输入信号将忆阻器变化的阻值与突触的权值相对应，即可用忆阻器实现突触的功能。忆阻器结构通常由简单的金属-氧化物-金属的三明治结构构成，因此可以通过简单的crossbar结构来实现超大规模和极高密度的忆阻器阵列。
为了能够更好的应用到神经网络计算系统的硬件中，忆阻器不仅要具有连续可调的阻值，其阻变特性还应具有近似模拟信号的特性。因此忆阻器的设计需要考虑阻值动态调整的范围、阻值的连续性、线性度、工作速度及功耗等性能，这些特性在实现高性能高效神经网络计算的硬件实现中起着重要的作用。虽然实现忆阻器的材料和器件多种多样，但是满足上述要求的忆阻器仍有待继续研究。
发明内容
本发明提出了一种可以实现阻值变化趋近于模拟特性的忆阻器及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种忆阻器，包括衬底和位于衬底上的电极-阻变层-扩散调制层-电极结构，所述器件电极之间设有阻变层和扩散调制层，所述电极-阻变层-扩散调制层-电极结构可以是Metal-Insulator-Insulator-Metal电容结构、Metal-Semiconductor-Semiconductor-Metal电容结构等，采用简单的“三明治”结构，所述阻变层即中间功能层可采用具有优良阻变特性的电介质，根据阻变层中起主要输运作用的离子种类，选择对该离子具有低离子扩散常数和高迁移激活能的材料作为扩散调制层。本发明利用扩散调制层材料的厚度变化及合理选择扩散调制层材料与阻变层的匹配可以实现对忆阻器特性进行优化，使器件展现出阻值连续线性变化且更趋近于生物突触的特性。同时，器件的制备工艺与传统CMOS工艺相兼容。
进一步地，所述衬底为硅衬底或柔性有机材料衬底。
进一步地，所述电极由金属材料通过半导体CMOS工艺实现。所述电极可采用多种金属材料，如Ti、Al、Au、W、Cu和TiN等。金属电极材料的厚度为100nm-200nm。
进一步地，所述阻变层可采用TaOx、HfOx、SiOx，或者SrTiO3等，厚度在5nm-50nm之间；也可采用有机材料，如parylene等，厚度在200nm-500nm之间。
进一步地，所述扩散调制层可以是SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2等，厚度在1-20nm之间。
本发明提供的忆阻器的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底上采用半导体CMOS工艺用低压化学汽相淀积(LPCVD)的方式在衬底上生长100nm-150nm厚的二氧化硅；
2)利用光刻在光刻胶上定义出底电极的图形；
3)采用磁控溅射的方法淀积底电极金属，剥离形成电极，并去除光刻胶；
4)采用PVD或者ALD的方式淀积阻变层；
5)采用PVD或者ALD的方式淀积扩散调制层；
6)利用光刻定义出底电极引出孔，刻蚀阻变层和扩散调制层，刻蚀截止层为底电极；
7)利用光刻在光刻胶上定义出顶电极和底电引出图形，淀积金属电极，剥离形成顶电极和底电极引图形，并去除光刻胶；完成本发明忆阻器的制备。
本发明通过在电极和阻变材料的界面处插入一层对离子扩散速率具有调制效应的扩散调制层，扩散调制层可以有效的调制离子(氧空位或者氧离子)扩散速率，使得忆阻器导电细丝的形成和熔断处的离子扩散速率可以通过插入不同的扩散调制层达到不同的调制效果，最终实现对忆阻器阻变特性的有效调制，使器件展现出阻值连续线性变化且更趋近于生物突触的特性。同时，器件具有低功耗及制备工艺与传统CMOS工艺相兼容的优点。阻变层和扩散调制层可以使忆阻器更接近生物突触的特性，对于神经网络计算硬件的最终实现有着重要的意义。
附图说明
图1本发明所述忆阻器特性曲线示意图。
图2-6本发明实施例的实施步骤。其中：
1—衬底；2—底电极；3—阻变层；4—扩散调制层；5—顶电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步描述。
下面实施例分别采用TaOx和SiO2分别作为阻变层和扩散调制层实现新型忆阻器器件的制备。给出关键工艺步骤所采用的材料，并给出新型忆阻器器件的实施例。
氧化钽和二氧化硅均是与标准CMOS工艺相兼容的材料。基于氧化钽的忆阻器有着优异的存储器性能，包括超高的耐久性、超快的开关速度和良好的保持特性。此外，氧化钽还有着热稳定性高、化学性质不活泼等特点。二氧化硅作为非常成熟的CMOS工艺中的栅介质材料，材料性质和参数非常明了，制备简单且非常可控。两种材料的优势相结合，加上巧妙的物理机制层面的设计，既满足兼容CMOS工艺的要求，又能实现对于通过扩散调制层改善忆阻器特性的目标，对于提高忆阻器的性能，改善忆阻器的特性，使其最终被应用到神经网络计算的硬件中有着重要的意义。
1)选择所采用的衬底材料，可根据用途进行选择；例如选择Si衬底；
2)光刻定义底电极图形，采用PVD或蒸发淀积金属底电极，底电极材料可以是Pt、TaN、Ir等，如图2所示；
3)可采用PVD反应溅射或ALD方式制备一层阻变薄膜材料，制备方法如下所述：
采用PVD反应溅射方法制备一层阻变薄膜材料：具体材料可以是TaOx，HfOx等，厚度在20nm-50nm之间；或者，采用ALD方式淀积更薄的阻变薄膜材料：具体材料可以是TaOx，HfOx等，厚度在5-10nm之间，如图3所示；
4)可采用PVD反应溅射或ALD方式制备一层扩散调制层材料，制备方法如下所述。
采用PVD反应溅射方法制备一层扩散调制层材料实现对形成和熔断导电细丝的离子的扩散速率的调制，具体材料可以是SiO2、Al2O3等，厚度在1nm-4nm之间；或者，采用ALD的方式制备一层扩散调制层材料实现对形成和熔断导电细丝的离子的扩散速率的调制，具体材料可以使SiO2、Al2O3等，厚度在1nm-5nm之间，如图4所示；
5)采用干法刻蚀的方法在定义出来的图形上刻蚀出底电极引出孔，刻蚀厚度为所淀积的阻变材料和扩散调制层材料厚度的和，并去除光刻胶，如图5所示；
6)在上面的基础上光刻顶电极图形，并采用PVD或蒸发淀积金属顶电极，顶电极材料可以是Ta、TiN等，厚度为50nm，剥离形成顶电极图形，如图6所示。
对于采用上述方法制备的忆阻器，采用固定脉冲(pulse)测试得到的其特性如图1所示：图中1——器件在相同正向电压的脉冲激励下逐渐由高阻态向低阻态的变化过程；2——器件在负向相同电压的脉冲激励下由低阻态向高阻态的变化过程。在正向脉冲下，随着脉冲个数的不断增加(图1中随时间增加)，忆阻器的电导逐渐增大，电导的变化呈现连续可调且接近线性的上升趋势；在负向脉冲下，随着脉冲个数的不断增加(图1中随时间增加)，忆阻器的电导逐渐减小，电导的变化呈现连续可调且接近线性的下降趋势。证明器件的阻值具有线性连续可调的特性，满足神经网络计算对于突触器件的特性要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (4)

1.一种忆阻器，其特征在于，包括衬底和位于衬底上依次叠置的材料层为电极、阻变层、扩散调制层和电极，上述阻变层采用具有阻变特性的电介质，根据阻变层中起输运作用的离子种类，选择对该离子具有低离子扩散常数和高迁移激活能的材料作为扩散调制层，利用上述扩散调制层与阻变层的匹配使器件展现出阻值连续线性变化，所述阻变层采用TaOx、HfOx、SiOx或者SrTiO3，厚度在5nm-50nm之间；或所述阻变层采用有机材料parylene，厚度在200nm-500nm之间；所述扩散调制层采用SiO2、TiO2、Al2O3或HfO2，厚度在1-20nm之间。
2.如权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述衬底为硅衬底或柔性有机材料衬底。
3.如权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述电极采用Ti、Al、Au、W、Cu或TiN，电极的厚度为100nm-200nm。
4.一种忆阻器的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底上采用半导体CMOS工艺用低压化学汽相淀积在衬底上生长100nm-150nm厚的二氧化硅；
2)利用光刻在光刻胶上定义出底电极的图形；
3)采用磁控溅射的方法淀积底电极金属，剥离形成电极，并去除光刻胶；
4)采用PVD或者ALD的方式淀积阻变层；
5)采用PVD或者ALD的方式淀积扩散调制层；
6)利用光刻定义出底电极引出孔，刻蚀阻变层和扩散调制层，刻蚀截止层为底电极；
7)利用光刻在光刻胶上定义出顶电极和底电引出图形，淀积金属电极，剥离形成顶电极和底电极引图形，并去除光刻胶；制得如权利要求1所述的忆阻器。
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