CN112289930B - 一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器及其调控方法 - Google Patents
一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器及其调控方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112289930B CN112289930B CN202011185655.2A CN202011185655A CN112289930B CN 112289930 B CN112289930 B CN 112289930B CN 202011185655 A CN202011185655 A CN 202011185655A CN 112289930 B CN112289930 B CN 112289930B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- memristor
- layer
- volatile
- functional layer
- upper electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 34
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 title claims description 16
- 229910016411 CuxO Inorganic materials 0.000 title description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 72
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 claims abstract description 64
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 abstract description 17
- 210000000225 synapse Anatomy 0.000 abstract description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 20
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 19
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 19
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 15
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 7
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 3
- BHKKSKOHRFHHIN-MRVPVSSYSA-N 1-[[2-[(1R)-1-aminoethyl]-4-chlorophenyl]methyl]-2-sulfanylidene-5H-pyrrolo[3,2-d]pyrimidin-4-one Chemical compound N[C@H](C)C1=C(CN2C(NC(C3=C2C=CN3)=O)=S)C=CC(=C1)Cl BHKKSKOHRFHHIN-MRVPVSSYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 2
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000000861 blow drying Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/821—Device geometry
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/883—Oxides or nitrides
- H10N70/8833—Binary metal oxides, e.g. TaOx
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
本发明属于微电子器件技术领域，公开了一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器及其调控方法，该包括自下而上堆叠的下电极层(4)、功能层(3)以及上电极层(1)，其中，功能层(3)为CuxO功能层，x满足1.8<x<2，功能层是沉积在绝缘层内的，具体是通过在绝缘层内刻蚀通孔，再沉积功能层使功能层接触下电极层；上电极层则沉积在功能层之上。本发明通过对忆阻器关键的结构、组成进行改进，以CuxO为功能层，1.8<x<2，化学配比接近Cu2O，能够得到兼备易失性与非易失性的CuxO忆阻器，该CuxO忆阻器基于Cu空位调制，可以通过简单的限制电流诱导Cu空位构建突触和导电丝，实现易失性和非易失性。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器及其调控方法，该忆阻器能够通过限制电流诱导 Cu空位形成团簇和导电丝，实现器件易失性与非易失性转变，可用于神经形态计算及人工突触实现。
背景技术
易失的阈值转变(TS)和非易失的阻变(MS)是忆阻器对电压的两种典型响应，非易失的阻变行为可以应用在数据存储、突触模拟等场景，易失的阈值转变行为因其非线性的阻值变化则被用在电路开关和模拟神经元中；在目前研究火热的人工神经网络构建中，同时依赖到忆阻器的易失性和非易失性，如果能在同一种忆阻器件中实现易失性与非易失性对于电路的设计简化以及工业化生产有极大的意义。
南京邮电大学沈心怡等人(一种易失性与非易失性共存的忆阻器件及制备方法及备选制备方法，CN202010139009.6)公开了一种易失性与非易失性共存的忆阻器及制备方法及备选制备方法，主要通过在其氧化物介质层SiO2上溅射镀上一层MXene膜构成中间功能层，选取活性电极Ag作为上电极，使用半径小、活性强的Ag构建导电细丝。在外部限流调控下，该器件可以在小限流表现出易失性，在大限流下表现出非易失性，该器件具有模拟生物突触的基本功能。但由于二维材料Mxene的参与，使得该器件与CMOS工艺难以兼容，由于制备过程中的旋涂工艺，器件间的差异性不利于器件的大规模制造，并且该器件在窗口比例、循环特性上都有不足；另外华中科技大学李祎等人(一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器及其制备方法，CN201811340222.2)公开了一种易失和非易失电阻转变行为可调控忆阻器及其制备方法，通过选择离子迁移率不同的两种材料作为叠层功能层，采用活性电极Cu、Ag和Ni等作为上电极，利用活性金属离子在两种功能层之间的迁移率差，调节叠层功能层的厚度比，实现器件的易失性与非易失性转变，该器件无需改变器件的成分，与CMOS工艺兼容。但该器件实现调控需要改变器件的结构，而非同一器件。在部分文献中还提到了在功能层中掺杂活性金属，以达到器件的易失性与非易失性转变，但由于掺杂工艺可能会引入杂质离子，且工艺复杂，不利于成本控制。另外很多文献中研究了基于Cu2O功能层的忆阻器的非易失性，但关于 Cu2O忆阻器的易失性少有提及。因此研究一种制备工艺更为简单、调控更为容易、性能更为优异的易失性与非易失性兼具的器件对于神经网络、非冯架构、突触实现具有巨大意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器及其调控方法，其中通过对忆阻器关键的结构、组成进行改进，以CuxO为功能层，x满足1.8<x<2，化学配比接近Cu2O，能够得到兼备易失性与非易失性的CuxO忆阻器；该CuxO忆阻器基于Cu空位调制，可以通过简单的限制电流诱导Cu空位构建突触和导电丝，实现易失性和非易失性，无需改变器件结构和组成，器件的一致性、可重复性非常好，开关比大，且与CMOS工艺相兼容，在神经网络、非冯架构、突触实现等方面有很大应用潜力。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器，其特征在于，包括自下而上堆叠的下电极层(4)、功能层(3)以及上电极层(1)，其中，所述功能层(3)为CuxO功能层， x满足1.8<x<2；所述功能层(3)是沉积在绝缘层(2)内的，具体是通过在所述绝缘层(2)内刻蚀通孔，再沉积所述功能层(3)使所述功能层(3) 接触所述下电极层(4)；所述上电极层(1)则沉积在所述功能层(3)之上。
作为本发明的进一步优选，所述功能层(3)的厚度为20～80nm，优选为60nm。
作为本发明的进一步优选，所述下电极层(4)所采用的电极材料为惰性电极，选自Pt，TiN，TaN；
所述上电极(1)所采用的电极材料同样为惰性电极，选自TaN、TiW、 TiN；
所述绝缘层(2)为SiO2；
优选的，所述下电极层(4)所采用的电极材料为Pt；所述上电极(1) 所采用的电极材料为TiN。
作为本发明的进一步优选，所述兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器能够通过所述上电极层(1)和所述下电极层(4)向所述功能层(3)施加相应的限制电流，诱导Cu空位构建团簇和导电细丝，实现易失性忆阻器功能与非易失性忆阻器功能的调控。
作为本发明的进一步优选，所述限制电流的变化范围为100nA～100uA。
作为本发明的进一步优选，所述上电极(1)所采用的电极材料为TiN，厚度为100nm；所述CuxO功能层的厚度为60nm，x＝1.90；所述下电极层 (4)所采用的电极材料为Pt，厚度为100nm；
对于该CuxO忆阻器，记所述限制电流为Icc，当Icc<1uA时，该CuxO 忆阻器表现为易失性特性；当1uA<Icc<85uA时，该CuxO忆阻器表现为易失性与非易失性共存特性；当Icc>85uA时，该CuxO忆阻器表现为非易失性特性。
按照本发明的另一方面，本发明提供了上述兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器的调控方法，其特征在于，该调控方法是通过CuxO忆阻器的上电极层和下电极层向CuxO忆阻器的功能层施加相应的限制电流，诱导Cu空位构建团簇和导电细丝，实现易失性忆阻器功能与非易失性忆阻器功能的调控。
作为本发明的进一步优选，所述限制电流的变化范围为100nA～100uA。
作为本发明的进一步优选，所述CuxO忆阻器中，上电极所采用的电极材料为TiN，厚度为100nm；CuxO功能层的厚度为60nm，x＝1.90；下电极层所采用的电极材料为Pt，厚度为100nm；
对于该CuxO忆阻器，记所述限制电流为Icc，当Icc<1uA时，该CuxO 忆阻器表现为易失性特性；当1uA<Icc<85uA时，该CuxO忆阻器表现为易失性与非易失性共存特性；当Icc>85uA时，该CuxO忆阻器表现为非易失性特性。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于使用Cu空位为主导空位的P型半导体材料CuxO，x满足1.8<x<2，化学配比接近Cu2O，半径小、活性强、高迁移率的Cu空位易于调控，通过将小限制电流下的 Cu空位团簇之间的跳跃导电机制和大限制电流下的Cu空位导电丝导电机制相结合，实现了单个器件即可表现出易失特性，也可表现出非易失特性。其次，通过对器件结构的改进，在忆阻单元之间填充绝缘层，而非采用传统的忆阻功能层互联的三明治结构，减少了器件的边缘漏电(本发明中只有刻蚀孔中的功能层能接触到下电极，并且每个刻蚀孔是独立且分开的，功能层没有连在一起，因此能够减少漏电)，使得器件更为可控，大大提升器件的一致性和可重复性；此外，选用高功函数的惰性电极(如Pt)，通过惰性电极与功能层CuxO之间的肖特基势垒以及刻蚀通孔半径(以圆形刻蚀通孔为例)优选满足100-500nm的器件单元尺寸，使得器件的高阻保持在兆欧级别，大大降低静态功耗和信息误读的概率。
以TiN(100nm)/CuxO(60nm)/Pt(100nm)忆阻器单元为例(即，器件的上电极采用厚度为100nm的TiN，CuxO功能层的厚度为60nm，x＝1.90，下电极层采用厚度为100nm的Pt)，限制电流Icc<1uA时，该CuxO忆阻器表现出典型的易失性特性；所述限制电流1uA<Icc<85uA时，该CuxO忆阻器表现出易失性与非易失性共存特性；所述限制电流Icc>85uA时，该CuxO忆阻器表现出典型的非易失性特性。
具体说来，本发明能够取得以下有益效果：
(1)功能层为单层，并且无需掺杂等复杂和不可控工艺，即可表现出易失性和非易失性，工艺上简化，控制了复杂离子的引入；
(2)功能层CuxO作为一种P型半导体材料，与传统的忆阻器中采用的N型半导体材料不同，CuxO中的主导空位是带负电的Cu空位，其生成能低，迁移率高，因此操作电压相对很低；其次Cu是CMOS电路中的互联材料，容易获得且十分廉价，成本低，使用CuxO作为功能层能够非常方便的与CMOS电路兼容；
(3)本发明的电极不参与阻变导电丝的形成与断裂，而是利用CuxO 本身的Cu空位构建团簇和导电丝，易于调控；
(4)本发明采用绝缘层设计，较传统的三明治结构，可以大大的降低边缘漏电的几率，单元寿命和操作次数提升明显，高阻阻值的拉高有益于功耗的降低。
(5)本发明所制备器件的易失性表现下开关比>6*102，非易失性表现下窗口比>7*104，并且一致性较现有技术相比有很大提升。
综上，基于本发明得到的CuxO忆阻器，通过改变器件的限制电流，实现器件中本征Cu空位诱导的易失性与非易失性阻变调控特性，而非常规的调控器件结构和成分，单一功能层即可实现重复性和一致性极佳的易失性与非易失性，在神经形态计算与生物突触模拟方面有巨大价值。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的兼备易失性与非易失性的TiN/CuxO/Pt 忆阻器单元的剖面示意图。
图2是本发明实施例1提供的兼备易失性与非易失性的TiN/CuxO/Pt 忆阻器单元的立体示意图。
图3是本发明实施例1提供的兼备易失性与非易失性的TiN/CuxO/Pt 忆阻器单元的易失性I-V曲线。
图4是本发明实施例1提供的兼备易失性与非易失性的TiN/CuxO/Pt 忆阻器单元的非易失性I-V曲线。
图1和图2中各附图标记的含义如下：1为上电极层(如TiN上电极层)， 2为绝缘层SiO2，3为功能层CuxO，4为下电极层(如Pt下电极层)，5 为绝缘层SiO2，6为衬底Si。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器，总的来说，如图1、图2所示，包括自下而上堆叠的下电极层4、功能层3以及上电极层1，其中，功能层3为CuxO功能层，x满足1.8<x<2，化学配比接近Cu2O，功能层3是沉积在绝缘层2内的，具体是通过在绝缘层2内刻蚀通孔，再沉积功能层3使功能层3接触下电极层4；上电极层1则沉积在功能层3之上。
在具体制备时，可以将下电极沉积于衬底表面，绝缘层沉积在下电极之上，功能层通过绝缘层的刻蚀通孔与下电极接触，上电极位于最上层、沉积在功能层之上。
以上电极采用TiN、下电极采用Pt为例，下电极层与衬底之间的粘附层可以采用Ti，相应得到的TiN/CuxO/Pt忆阻器，在调控时，总的来说，是以上述TiN/CuxO/Pt忆阻器为对象，以直流测试过程中的限制电流为主要调控手段，诱导Cu空位形成团簇和导电丝，结合跳跃导电机制和导电丝导电机制，使得所述TiN/CuxO/Pt忆阻器可以表现出易失性和非易失性。限制电流例如可以是在100nA～100uA范围内的变化。
以下为具体实施例：
实施例1：一种兼备易失性与非易失性的CuxO忆阻器制备方法
本实施例所提供的CuxO忆阻器，为小孔结构的TiN/CuxO/Pt忆阻器，其结构如图1和图2所示；其中下电极为Pt，厚度为100nm；功能层CuxO 厚度为60nm；下电极上的绝缘层为SiO2，总厚度为100nm；上电极为TiN，厚度为100nm。
以下来具体阐释所述CuxO忆阻器的制备方法：
(1)下电极制备
衬底清洗：将Si/SiO2衬底浸泡在实验用分析纯丙酮中，放入功率为60w 的超声清洗机中，超声10分钟；将丙酮清洗过的样品浸入实验用分析纯乙醇中，超声10分钟；将乙醇清洗过的样品浸入去离子水中，超声10分钟，夹出置于滤纸上，使用氮气枪吹干表面。
粘附层溅射：使用磁控溅射，在衬底清洗步骤获得的样品上，制备粘附层，所述粘附层具体为Ti，厚度为10nm(由于Pt在硅片上粘附性不佳、容易掉落，所以本实施例中需要制备粘附层Ti；若使用其他惰性电极，则可根据实际情况选择是否需要制备粘附层)；磁控溅射的工艺条件为：在 Ar气氛围下，本底真空为5*10-5Pa，工作压强为0.5Pa、直流溅射功率为 100W，溅射时间为100s。
下电极溅射：使用磁控溅射，在粘附层溅射步骤获得的样品上，制备下电极，所述下电极层具体为Pt，厚度为100nm；磁控溅射的工艺条件为：在Ar气氛围下，本底真空为5*10-5Pa，工作压强为0.5Pa、直流溅射功率为 35W，溅射时间为700s。
(2)绝缘层制备
绝缘层生长：使用PECVD，在下电极溅射步骤所获得的样品上，生长绝缘层，所述绝缘层具体为SiO2，厚度为100nm；PECVD的工艺条件为：在Ar氛围下，生长温度为300℃，生长时间为1min53s。
小孔图形转移：使用电子术曝光EBL工艺，在绝缘层生长步骤所获得的样品上，曝光出小孔图形、对准标记和预留下电极测试区域；其中小孔的半径为100nm，EBL工艺包括：匀胶，前烘，曝光，显影等步骤。
绝缘层刻蚀：使用III-V ICP工艺，刻蚀在小孔图形转移步骤中所获得的样品，目的在于将没有EBL光刻胶覆盖的部分，即小孔图形，对准标记和下电极预留测试区域的SiO2刻蚀穿；其中刻蚀的气体为CF4和Ar气，刻蚀时间为45s。
去胶：将绝缘层刻蚀步骤中得到的样品浸入所使用的EBL光刻胶所对应的专用去胶液中，去除样品表面剩余所有的光刻胶。
(3)功能层制备
套刻：使用紫外光刻工艺，在去胶步骤中所得到的样品表面进行套刻，目的是利用光刻胶的遮挡，留出上电极区域；其中上电极为100um*100um 的小方块，套刻的工艺包括：匀胶，前烘，前曝，后烘，后曝，显影等步骤。
功能层溅射：使用磁控溅射工艺，在套刻步骤中得到的样品上，直流反应溅射60nm的CuxO(x＝1.90)功能层；溅射的工艺条件为：本底真空为 5*10-3Pa、工作压强为0.36Pa、直流溅射电流为0.2A，直流溅射电压为500V，溅射时间为40s，Ar与O2的体积比为86:22。
(4)上电极制备
上电极溅射：使用磁控溅射工艺，在功能层溅射步骤中得到的样品上，溅射上电极，所述上电极具体为TiN，厚度为100nm；磁控溅射的工艺条件为：在Ar气氛围下，本底真空为5*10-5Pa，工作压强为0.5Pa、直流溅射功率为150W，溅射时间为1200s。
剥离：将溅射步骤所得到的样品浸泡到丙酮中，在功率为10W的超声清洗中超声20s，图形完全清晰后，依次用无水乙醇和去离子水清洗，并用氮气枪吹干，至此得到所述TiN/CuxO/Pt忆阻器。
实施例2：一种兼备易失性与非易失性的TiN/CuxO/Pt忆阻器调控方法
在调控及测试阶段，测试采用直流测试，总的来说，可以按如下步骤进行：
(1)对选定的忆阻器单元进行Forming处理，首次电操作使得Cu空位开始迁移再分布，形成不稳定的导电通道；其中所述Forming过程中的限制电流选择为50uA，电压扫描范围为0V-5V；
(2)对该忆阻器单元进行限制电流设置，进行测试。
以下是对实施例1所制备的CuxO忆阻器进行调控及测试的方法，具体包括如下步骤：
(1)选择样品上的一个忆阻器单元，将两探针分别扎在上电极和预留下电极区域，上电极所接探针加正电压，下电极所接探针接地，进行Forming 处理；其中正向电压扫描范围为0～5V，限制电流Icc＝50uA。
(2)对该忆阻器单元进行50次正负双向I-V扫描，扫描范围为-1V-1V，步进为0.01V，正向扫描限制电流Icc＝1uA，负向扫描限制电流为100mA。
(3)对该忆阻器单元进行50次正负双向I-V扫描，扫描范围为-1V-1V，步进为0.01V，正向扫描限制电流Icc＝85uA，负向扫描限制电流为100mA。
图3所示，是实施例1所提供TiN/CuxO/Pt忆阻器样品易失性特性的I-V 曲线图，可以看到正向电压上升时，器件的电导会在阈值到来时迅速上升，电阻由高阻跳变为低阻；但当器件的扫描电压回扫时，器件的电导又迅速衰减，电阻由低阻变为高阻；负向扫描电压作用下，器件的阻值始终保持高阻，说明正向的阻值转变行为为易失性，器件整体表现出TS特性，即阈值转变行为。
图4所示，是实施例1所提供TiN/CuxO/Pt忆阻器样品非易失性特性的 I-V曲线图，可以看到正向扫描电压上升至Set电压附近时，器件的电导迅速上升，电阻由高阻变为低阻，扫描电压回扫时，器件的电阻仍然维持在低阻，并不会因为电压的撤去而变化；负向扫描电压增大到Reset电压附近时，器件的电导迅速减小，电阻从低阻跳变为高阻，扫描电压回扫时，器件的电阻仍然维持在高阻，并不会因为电压的撤去而变化；说明此时的器件阻值转变行为为非易失性，器件整体表现出非易失忆阻特性，并且拥有极好的直流一致性。
从中可知，限制电流Icc<1uA时，直流I-V扫描曲线显示出典型的易失特性；电流Icc>85uA时，直流I-V扫描曲线显示出典型的非易失特性。
上述实施例中的器件单元尺寸仅为示例(器件尺寸由刻蚀孔的大小决定，刻蚀孔的大小决定了功能层的尺寸)，器件单元尺寸还可以是半径 100nm-500nm的其他面积(对应俯视图中刻蚀孔的单元半径)，如半径 200nm，半径500nm等(当然，除了圆形刻蚀孔外，还可以采用制备工艺允许的其他形状的刻蚀孔)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器，其特征在于，包括自下而上堆叠的下电极层(4)、功能层(3)以及上电极层(1)，其中，所述功能层(3)为CuxO功能层，x满足1.8<x<2；所述功能层(3)是沉积在绝缘层(2)内的，具体是通过在所述绝缘层(2)内刻蚀通孔，再沉积所述功能层(3)使所述功能层(3)接触所述下电极层(4)；所述上电极层(1)则沉积在所述功能层(3)之上。
2.如权利要求1所述CuxO忆阻器，其特征在于，所述功能层(3)的厚度为20～80nm，优选为60nm。
3.如权利要求1所述CuxO忆阻器，其特征在于，所述下电极层(4)所采用的电极材料为惰性电极，选自Pt，TiN，TaN；
所述上电极(1)所采用的电极材料同样为惰性电极，选自TaN、TiW、TiN；
所述绝缘层(2)为SiO2；
优选的，所述下电极层(4)所采用的电极材料为Pt；所述上电极(1)所采用的电极材料为TiN。
4.如权利要求1所述CuxO忆阻器，其特征在于，所述兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器能够通过所述上电极层(1)和所述下电极层(4)向所述功能层(3)施加相应的限制电流，诱导Cu空位构建团簇和导电细丝，实现易失性忆阻器功能与非易失性忆阻器功能的调控。
5.如权利要求4所述CuxO忆阻器，其特征在于，所述限制电流的变化范围为100nA～100uA。
6.如权利要求4所述CuxO忆阻器，其特征在于，所述上电极(1)所采用的电极材料为TiN，厚度为100nm；所述CuxO功能层的厚度为60nm，x＝1.90；所述下电极层(4)所采用的电极材料为Pt，厚度为100nm；
对于该CuxO忆阻器，记所述限制电流为Icc，当Icc<1uA时，该CuxO忆阻器表现为易失性特性；当1uA<Icc<85uA时，该CuxO忆阻器表现为易失性与非易失性共存特性；当Icc>85uA时，该CuxO忆阻器表现为非易失性特性。
7.如权利要求1－6任意一项所述兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器的调控方法，其特征在于，该调控方法是通过CuxO忆阻器的上电极层和下电极层向CuxO忆阻器的功能层施加相应的限制电流，诱导Cu空位构建团簇和导电细丝，实现易失性忆阻器功能与非易失性忆阻器功能的调控。
8.如权利要求7所述调控方法，其特征在于，所述限制电流的变化范围为100nA～100uA。
9.如权利要求7所述调控方法，其特征在于，所述CuxO忆阻器中，上电极所采用的电极材料为TiN，厚度为100nm；CuxO功能层的厚度为60nm，x＝1.90；下电极层所采用的电极材料为Pt，厚度为100nm；
对于该CuxO忆阻器，记所述限制电流为Icc，当Icc<1uA时，该CuxO忆阻器表现为易失性特性；当1uA<Icc<85uA时，该CuxO忆阻器表现为易失性与非易失性共存特性；当Icc>85uA时，该CuxO忆阻器表现为非易失性特性。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011185655.2A CN112289930B (zh) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器及其调控方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011185655.2A CN112289930B (zh) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器及其调控方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112289930A CN112289930A (zh) | 2021-01-29 |
| CN112289930B true CN112289930B (zh) | 2022-08-05 |
Family
ID=74353026
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011185655.2A Active CN112289930B (zh) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器及其调控方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112289930B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113076827B (zh) * | 2021-03-22 | 2022-06-17 | 华中科技大学 | 一种传感器信号智能处理系统 |
| CN112906880B (zh) * | 2021-04-08 | 2022-04-26 | 华中科技大学 | 一种基于忆阻器的自适应神经元电路 |
| CN112951995B (zh) * | 2021-04-09 | 2023-04-07 | 华中科技大学 | 一种自整流忆阻器电路的存算一体化操作方法及应用 |
| CN113224236B (zh) * | 2021-05-11 | 2022-09-16 | 山东大学 | 一种透明的双层结构忆阻器及其制备方法 |
| CN113644193A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-11-12 | 北京大学 | 阻变存储器件的制备方法、装置、电子设备和存储介质 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106206944A (zh) * | 2016-09-29 | 2016-12-07 | 南京大学 | 一种纳米薄膜忆阻器及其制备方法 |
| CN108807668A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-13 | 华中科技大学 | 基于金属氧化物氧浓度梯度的高性能忆阻器件及其制备 |
| CN109659433A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-04-19 | 华中科技大学 | 一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器及其制备方法 |
| CN109728160A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-05-07 | 北京大学 | 一种氧化物忆阻器及其集成方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7902867B2 (en) * | 2006-04-03 | 2011-03-08 | Blaise Laurent Mouttet | Memristor crossbar neural interface |
-
2020
- 2020-10-29 CN CN202011185655.2A patent/CN112289930B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106206944A (zh) * | 2016-09-29 | 2016-12-07 | 南京大学 | 一种纳米薄膜忆阻器及其制备方法 |
| CN108807668A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-13 | 华中科技大学 | 基于金属氧化物氧浓度梯度的高性能忆阻器件及其制备 |
| CN109659433A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-04-19 | 华中科技大学 | 一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器及其制备方法 |
| CN109728160A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-05-07 | 北京大学 | 一种氧化物忆阻器及其集成方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Fabrication of a W/CuxO/Cu memristor with sub-micron holes for passive sensing of oxygen;Chinwe Nyenke;《Microelectronic Engineering》;20160716;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112289930A (zh) | 2021-01-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112289930B (zh) | 一种兼具易失性与非易失性的CuxO忆阻器及其调控方法 | |
| CN110518117B (zh) | 一种二维材料异质结的忆阻器及其制备方法 | |
| US5315131A (en) | Electrically reprogrammable nonvolatile memory device | |
| US7061071B2 (en) | Non-volatile resistance variable devices and method of forming same, analog memory devices and method of forming same, programmable memory cell and method of forming same, and method of structurally changing a non-volatile device | |
| Xu et al. | Bipolar switching behavior in TiN/ZnO/Pt resistive nonvolatile memory with fast switching and long retention | |
| CN108807668B (zh) | 基于金属氧化物氧浓度梯度的高性能忆阻器件及其制备 | |
| CN110047993B (zh) | 一种忆阻器及其制备方法和应用 | |
| CN109659433B (zh) | 一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器及其制备方法 | |
| CN110911560B (zh) | 一种平面型忆阻器及其制备方法 | |
| CN111900249B (zh) | 忆阻器及其制备方法 | |
| CN111029459A (zh) | 一种界面型原子忆阻器及其制备方法 | |
| CN111180582A (zh) | 一种基于驻极体的突触晶体管及其制备方法 | |
| CN112467031A (zh) | 基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器及其制备方法 | |
| CN112382721A (zh) | 一种导电细丝型忆阻器及制备方法与存储模式的调控方法 | |
| CN111755600B (zh) | 一种基于复合纳米线网络结构的忆阻器 | |
| CN106887519B (zh) | 一种实现多值存储的阻变存储器的制备方法 | |
| CN112331766B (zh) | 基于碲化钼的忆阻器及其制备方法、非易失性存储器 | |
| CN106684137B (zh) | 一种三维环栅半导体场效应晶体管的制备方法 | |
| CN113113538A (zh) | 一种基于铝掺杂氧化铌的抗串扰阻变器件及其制备方法 | |
| KR102517217B1 (ko) | 매개 변수 변동이 감소되는 멤리스터 소자 | |
| CN113921708B (zh) | 一种基于二维材料面内各向异性的表面型忆阻集成器件 | |
| CN118019441A (zh) | 一种基于MXene/NbOX材料的叠层结构忆阻器件的制备方法 | |
| RU2803506C1 (ru) | Оптически управляемый мемристор на основе МДП-структуры ITO/ZrO2(Y)/Si с наноостровками Ge | |
| CN115020585A (zh) | 用于制备忆阻器的功能层、忆阻器以及相应的制作方法 | |
| CN115968253A (zh) | 硒化物晶体本征氧化制备的忆阻功能层材料、忆阻器及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |