CN107425114B - 一种垂直结构异源电子突触器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构异源电子突触器件及其制备方法。本发明采用底电极、阻变层和顶电极形成MIM纳米堆垛结构，再覆盖绝缘调制层，在绝缘调制层上形成调制电极，调制电极环绕MIM纳米堆垛结构；通过在调制电极施加电学信号，改变阻变层中电场强度分布，从而有效地调制阻变层中导电细丝的形成和熔断的动力学过程，从而实现对于异源突触可塑性模拟；同时，所发明的器件具有低功耗及制备工艺与传统CMOS工艺相兼容的优点。与原有平面结构器件相比，所发明的垂直异源电子突触结构具有更高的集成度和可微缩性，对于未来大规模类脑计算硬件的最终实现具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及半导体和新型非冯诺依曼计算技术领域，具体涉及一种适用于类脑计算的垂直结构异源电子突触器件及其制备方法。
背景技术
传统计算机由于采用分离的存储、计算单元，面临性能、功耗等多重挑战。随着半导体产业的迅猛发展，传统的冯诺依曼计算架构已经无法满足对于更高计算能力、更低功耗的需求，亟需开发颠覆性的计算架构。其中，基于非冯诺依曼架构的类脑计算有望在未来取代传统基于冯诺依曼体系架构的数字计算，催生更加智能、更高能效、更加鲁棒的运算模式，实现强大的并行处理能力。
在类脑计算系统中，能够模拟实现生物突触功能的电子突触器件是整个硬件神经网络系统的重要组成部分。电子突触依靠外加电压激励实现近似连续的阻值变化，并实现可逆的状态转换，并且在撤除电压激励后可以保持其阻态，从而模拟生物突触的可塑性，实现神经网络的学习和记忆功能。然而现有电子突触绝大多数只能实现单一类型的神经突触可塑性，即同源突触可塑性。在同源突触可塑性中，调节突触状态的信号以及突触状态的改变均发生在相同的突触前端和突触后端所定义的两端器件当中。
然而，除同源突触可塑性之外，在生物系统中还存在一种根本上不同类型的突触可塑性，即异源突触可塑性。在该类可塑性中，突触状态的改变除受到突触前端和突触后端的影响之外，还同时受到第三个调控端的调制作用，在生物系统的联想学习、长时程记忆等功能以及在维持生物神经网络系统稳定等方面具有重要作用。类似地，通过神经形态器件实现异源突触可塑性在更为复杂的类脑功能实现中也扮演着重要的角色。目前仅有的关于异源突触可塑性的报道采用三端平面器件结构，在可微缩性方面存在固有的限制，因此亟需开发具有更好可微缩性并能够模拟实现异源突触可塑性的神经形态器件。
发明内容
为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种垂直结构异源电子突触器件。
本发明的一个目的在于提出一种垂直结构异源电子突触器件。
本发明的垂直结构异源电子突触器件包括：衬底、底电极、阻变层、顶电极、绝缘调制层和调制电极；其中，在衬底上定义出底电极的图形，在衬底上依次形成底电极、阻变层和顶电极，底电极、阻变层和顶电极形成MIM(金属-绝缘体-金属)纳米堆垛结构；在衬底和MIM纳米堆垛结构上形成绝缘调制层，绝缘调制层覆盖衬底、MIM纳米堆垛结构的顶面和两个侧壁；在绝缘调制层上形成调制电极及与其相连接的调制电极引出端，调制电极环绕MIM纳米堆垛结构；在绝缘调制层、顶电极和阻变层中形成底电极引出孔，底电极引出孔暴露出来的那部分底电极作为底电极引出端；在绝缘调制层中形成顶电极引出孔，并在绝缘调制层上形成顶电极引出端，在顶电极引出孔中淀积金属从而将顶电极连接至顶电极引出端；调制电极通过绝缘调制层与阻变层在侧壁发生作用；通过在调制电极施加电学信号，改变阻变层中电场强度分布，从而有效地调制阻变层中导电细丝的形成和熔断的动力学过程，从而实现对于异源突触可塑性模拟。
衬底为硅衬底或柔性有机材料衬底。
顶电极、底电极和调制电极由金属材料通过半导体CMOS工艺实现。顶电极、底电极和调制电极可采用多种金属材料，如Ti、Al、Au、W、Cu、Pt和TiN；厚度为20nm～200nm。
阻变层采用TaOx、HfOx、TiOx或者SrTiO3，厚度在5nm～100nm之间；或者采用有机材料，如parylene，厚度在30nm～500nm之间。
绝缘调制层采用SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2或Ta2O5，厚度在5～200nm之间。
本发明的另一个目的在于提供一种垂直结构异源电子突触器件的制备方法。
本发明的垂直结构异源电子突触器件的制备方法，包括以下步骤：
1)提供衬底；
2)在衬底上旋涂光刻胶，通过光刻在光刻胶上定义出底电极的图形，依次淀积底电极、阻变层和顶电极，然后剥离光刻胶，在衬底上形成包括底电极、阻变层和顶电极的MIM
(金属-绝缘体-金属)纳米堆垛结构；
3)在衬底和MIM纳米堆垛结构上淀积绝缘调制层，绝缘调制层覆盖衬底、MIM纳米堆垛结构的顶面和两个侧壁；
4)在绝缘调制层外旋涂光刻胶，通过光刻在光刻胶上定义调制电极和调制电极引出端的图形，淀积调制电极和调制电极引出端，然后剥离光刻胶，形成调制电极及与其相连接的调制电极引出端，调制电极环绕MIM纳米堆垛结构；
5)通过光刻定义出顶电极引出孔的图形，刻蚀绝缘调制层，刻蚀截止层为顶电极，形成顶电极引出孔，并制备顶电极引出端，在顶电极引出孔中淀积金属，从而将顶电极连接至顶电极引出端；
6)通过光刻定义出底电极引出孔的图形，刻蚀绝缘调制层、顶电极和阻变层，刻蚀截止层为底电极，形成底电极引出孔，并将底电极引出孔暴露出来的那部分底电极作为底电极引出端，完成本发明垂直结构异源电子突触器件的制备。
其中，在步骤1)中，采用半导体CMOS工艺，如低压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、热氧化等方式，在衬底上生长100nm～1000nm厚的半导体氧化物薄膜，从而保证与地面衬底绝缘。
在步骤2)中，采用物理气相沉积PVD或电子束蒸发制备底电极；底电极的材料采用Ti、Al、Au、W、Cu、Pt和TiN中的一种。采用反应溅射或者原子层沉积ALD制备阻变层；阻变层的材料采用TaOx、HfOx、TiOx和SrTiO3中的一种，厚度在5nm～100nm之间；或者阻变层采用有机材料，厚度在30nm～500nm之间。采用PVD或电子束蒸发淀积顶电极，顶电极材料采用Ti、Al、Au、W、Cu、Pt和TiN中的一种。
在步骤3)中，采用ALD或等离子体增强化学气相沉积法PECVD淀积绝缘调制层，绝缘调制层的材料采用SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2和Ta2O5中的一种，厚度为5～200nm。
在步骤4)中，采用物理气相沉积PVD或电子束蒸发制备调制电极；调制电极的材料采用Ti、Al、Au、W、Cu、Pt和TiN中的一种，厚度为5～200nm。
在步骤5)中，采用PVD或电子束蒸发淀积金属。
本发明的优点：
本发明采用底电极、阻变层和顶电极形成MIM纳米堆垛结构，再覆盖绝缘调制层，在绝缘调制层上形成调制电极，调制电极环绕MIM纳米堆垛结构；通过在调制电极施加电学信号，改变阻变层中电场强度分布，从而有效地调制阻变层中导电细丝的形成和熔断的动力学过程，从而实现对于异源突触可塑性模拟；同时，所发明的器件具有低功耗及制备工艺与传统CMOS工艺相兼容的优点。与原有平面结构器件相比，所发明的垂直异源电子突触结构具有更高的集成度和可微缩性，对于未来大规模类脑计算硬件的最终实现具有重要的意义。
附图说明
图1至图4为本发明的垂直结构异源电子突触器件的制备方法的流程图；
图5为根据本发明的制备方法的一个实施例得到的垂直结构异源电子突触器件的俯视图。
图6为根据本发明的制备方法的一个实施例得到的垂直结构异源电子突触器件的顶电极施加正向电压同时调制电极在不同电压条件下的特性曲线图；
图7为根据本发明的制备方法的一个实施例得到的垂直结构异源电子突触器件的顶电极施加负向电压同时调制电极在不同电压条件下的特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图4所示，本实施例的垂直结构异源电子突触器件包括：衬底、底电极3、阻变层4、顶电极5、绝缘调制层6和调制电极7；其中，在衬底上定义出底电极3的图形，在衬底上依次形成底电极3、阻变层4和顶电极5，底电极3、阻变层4和顶电极5形成MIM纳米堆垛结构；在衬底和MIM纳米堆垛结构上形成绝缘调制层6，绝缘调制层6覆盖衬底、MIM纳米堆垛结构的顶面和两个侧壁；在绝缘调制层6上形成调制电极7及与其相连接的调制电极引出端ME，调制电极7环绕MIM纳米堆垛结构；在绝缘调制层6、顶电极5和阻变层4中形成底电极引出孔，底电极引出孔暴露出来的那部分底电极作为底电极引出端BE；在绝缘调制层6中形成顶电极引出孔，并在绝缘调制层6上形成顶电极引出端TE，在顶电极引出孔淀积金属从而将顶电极5连接至顶电极引出端TE。
本实施例的垂直结构异源电子突触器件的制备方法，包括以下步骤：
1)提供衬底：
采用Si基底0，在Si基底0上进一步生长二氧化硅1，从而与地面彻底绝缘，如图1所示；
2)在衬底上旋涂光刻胶，通过光刻在光刻胶上定义出底电极3的图形，在衬底上的底电极的图形上依次淀积厚度10nm的Ti形成粘附层2、厚度30nm的Pt形成底电极3、厚度30nm的TaOx形成阻变层4和厚度100nm的Ta成顶电极5，然后剥离光刻胶，在衬底上形成包括底电极、阻变层和顶电极的MIM纳米堆垛结构，如图2所示；
3)在衬底和MIM纳米堆垛结构上ALD淀积50nm的HfO2形成绝缘调制层6，绝缘调制层6覆盖衬底、MIM纳米堆垛结构的顶面和两个侧壁；
4)在绝缘调制层外旋涂光刻胶，通过光刻在光刻胶上定义调制电极的图形，淀积200nm厚的Pt形成调制电极，然后剥离光刻胶，形成调制电极7，调制电极环绕MIM纳米堆垛结构，并将调制电极连接至调制电极引出端，如图3所示；
5)通过光刻定义出顶电极引出孔的图形，刻蚀绝缘调制层，刻蚀截止层为顶电极，形成顶电极引出孔，在绝缘调制层外旋涂光刻胶，通过光刻在光刻胶上定义顶电极引出端的图形，淀积金属形成顶电极引出端，在顶电极引出孔中淀积金属，从而将顶电极连接至顶电极引出端TE；
6)通过光刻定义出底电极引出孔的图形，刻蚀绝缘调制层、顶电极和阻变层，刻蚀截止层为底电极，形成底电极引出孔，底电极引出孔暴露出来的那部分底电极作为底电极引出端BE，完成本发明垂直结构异源电子突触器件的制备，如图4所示，得到的电子突触器件的俯视图如图5所示。
通过本实施例的方法制备的异源电子突触器件，采用固定脉冲法得到的电学特性如图6和7所示：图6为器件的顶电极施加相同正向电压的脉冲，调制电极在不同电压条件下，由高阻态向低阻态的过程对比图；图7为器件的顶电极施加相同负向电压的脉冲，调制电极在不同电压条件下，由低阻态向高阻态的过程对比图。在正向脉冲下，随着调制电极的电压的增加，电子突触的学习速率得到提高，电导的变化呈现较为快速的上升趋势；在负向脉冲下，随着调制电极电压强度的增加，电子突触电导的变化呈现较为快速的下降趋势。以上结果证明根据本发明的技术方案所制备的电子突触器件的学习速率受到调制电极的有效调制作用，满足类脑计算对于异源电子突触器件的特性要求。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种垂直结构异源电子突触器件，其特征在于，所述电子突触器件包括：衬底、底电极、阻变层、顶电极、绝缘调制层和调制电极；其中，在衬底上定义出底电极的图形，在衬底上依次形成底电极、阻变层和顶电极，所述底电极、阻变层和顶电极形成MIM纳米堆垛结构；在衬底和MIM纳米堆垛结构上形成绝缘调制层，所述绝缘调制层覆盖衬底、MIM纳米堆垛结构的顶面和两个侧壁；在绝缘调制层上形成调制电极及与其相连接的调制电极引出端，所述调制电极环绕MIM纳米堆垛结构；在绝缘调制层、顶电极和阻变层中形成底电极引出孔，底电极引出孔暴露出来的那部分底电极作为底电极引出端；在绝缘调制层中形成顶电极引出孔，并在绝缘调制层上形成顶电极引出端，在顶电极引出孔中淀积金属从而将顶电极连接至顶电极引出端；调制电极通过绝缘调制层与阻变层在侧壁发生作用；通过在调制电极施加电学信号，改变阻变层中电场强度分布，从而有效地调制阻变层中导电细丝的形成和熔断的动力学过程，从而实现对于异源突触可塑性模拟。
2.如权利要求1所述的电子突触器件，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所述的电子突触器件，其特征在于，所述顶电极、底电极和调制电极由金属材料通过半导体CMOS工艺制备。
4.如权利要求1所述的电子突触器件，其特征在于，所述阻变层采用TaOx、HfOx、TiOx或者SrTiO3，厚度在5nm～100nm之间；或者采用有机材料，厚度在30nm～500nm之间。
5.如权利要求1所述的电子突触器件，其特征在于，所述绝缘调制层采用SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2或者Ta2O5，厚度在5～200nm之间。
6.一种垂直结构异源电子突触器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供衬底；
2)在衬底上旋涂光刻胶，通过光刻在光刻胶上定义出底电极的图形，依次淀积底电极、阻变层和顶电极，然后剥离光刻胶，在衬底上形成包括底电极、阻变层和顶电极的MIM纳米堆垛结构；
3)在衬底和MIM纳米堆垛结构上淀积绝缘调制层，绝缘调制层覆盖衬底、MIM纳米堆垛结构的顶面和两个侧壁；
4)在绝缘调制层外旋涂光刻胶，通过光刻在光刻胶上定义调制电极和调制电极引出端的图形，淀积调制电极和调制电极引出端，然后剥离光刻胶，形成调制电极及与其相连接的调制电极引出端，调制电极环绕MIM纳米堆垛结构；
5)通过光刻定义出顶电极引出孔的图形，刻蚀绝缘调制层，刻蚀截止层为顶电极，形成顶电极引出孔，并制备顶电极引出端，在顶电极引出孔中淀积金属，从而将顶电极连接至顶电极引出端；
6)通过光刻定义出底电极引出孔的图形，刻蚀绝缘调制层、顶电极和阻变层，刻蚀截止层为底电极，形成底电极引出孔，并将底电极引出孔暴露出来的那部分底电极作为底电极引出端。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，采用低压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或热氧化的方式，在衬底上生长100nm～1000nm厚的半导体氧化物薄膜，从而保证与衬底绝缘。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，采用物理气相沉积PVD或电子束蒸发制备底电极，底电极的材料采用Ti、Al、Au、W、Cu、Pt和TiN中的一种；采用反应溅射或者原子层沉积ALD制备阻变层，阻变层的材料采用TaOx、HfOx、TiOx和SrTiO3中的一种，厚度在5nm～100nm之间；或者阻变层采用有机材料，厚度在30nm～500nm之间；采用PVD或电子束蒸发淀积顶电极，顶电极材料采用Ti、Al、Au、W、Cu、Pt和TiN中的一种。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，采用ALD或等离子体增强化学气相沉积法PECVD淀积绝缘调制层，绝缘调制层的材料采用SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2和Ta2O5中的一种，厚度为5～200nm。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，采用物理气相沉积PVD或电子束蒸发制备调制电极；调制电极的材料采用Ti、Al、Au、W、Cu、Pt和TiN中的一种，厚度为5～200nm。
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