CN112420922B - 一种基于钛银合金的低功耗cbram器件及其制备方法和应用 - Google Patents
一种基于钛银合金的低功耗cbram器件及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112420922B CN112420922B CN202011309719.5A CN202011309719A CN112420922B CN 112420922 B CN112420922 B CN 112420922B CN 202011309719 A CN202011309719 A CN 202011309719A CN 112420922 B CN112420922 B CN 112420922B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- titanium
- bottom electrode
- low
- silver alloy
- cbram
- 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
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 69
- MZFIXCCGFYSQSS-UHFFFAOYSA-N silver titanium Chemical compound [Ti].[Ag] MZFIXCCGFYSQSS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 58
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims abstract description 34
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 42
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 27
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 22
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 20
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 15
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 11
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 6
- YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N germanium oxide Inorganic materials O=[Ge]=O YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- GPMBECJIPQBCKI-UHFFFAOYSA-N germanium telluride Chemical compound [Te]=[Ge]=[Te] GPMBECJIPQBCKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N oxogermanium Chemical group [Ge]=O PVADDRMAFCOOPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 8
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 abstract description 6
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 12
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 230000001242 postsynaptic effect Effects 0.000 description 7
- 230000003518 presynaptic effect Effects 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 210000000225 synapse Anatomy 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000000946 synaptic effect Effects 0.000 description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 229910052774 Proactinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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
- H10N70/24—Multistable switching devices, e.g. memristors based on migration or redistribution of ionic species, e.g. anions, vacancies
- H10N70/245—Multistable switching devices, e.g. memristors based on migration or redistribution of ionic species, e.g. anions, vacancies the species being metal cations, e.g. programmable metallization cells
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
- G06N3/02—Neural networks
- G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
- G06N3/063—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using electronic means
-
- 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
- H10N70/881—Switching materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Computational Linguistics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Neurology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于钛银合金的低功耗CBRAM器件及其制备方法和应用，该低功耗CBRAM器件包括：底电极；插入层，位于底电极一侧表面；阻变层，位于插入层远离所述底电极一侧表面；顶电极，位于阻变层远离所述底电极一侧表面；其中，插入层的材料为Ti、Ag合金材料。本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，采用Ti、Ag合金代替传统的Ag制备的CBRAM器件，其高低阻态的电阻分布更加集中，进一步提高了器件性能的稳定性；本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件可以在更低的功耗下实现电导的连续调控，这为低功耗忆阻器阵列的搭建以及低功耗类脑神经形态芯片的研制提供了新的可能。
Description
技术领域
本发明涉及信息存储技术领域，尤其涉及一种基于钛银合金的低功耗CBRAM器件及其制备方法和应用。
背景技术
随着5G时代的到来，人们对信息存储的要求越来越高，然而目前主流的闪存(Flash)存储器面临着操作电压大、操作速度慢、功耗高等一系列缺点，这严重限制了Flash在高科技领域的广泛应用。因此，研究者开始对下一代非挥发性存储器进行研究。
在近几年，阻变存储器(RRAM)由于其具有与互补金属氧化物(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺兼容、操作速度快、功耗低、结构简单、单元尺寸小、易于三维集成等一系列优点，被认为是下一代非挥发性存储器的候选者之一。其通过在薄膜材料上施加电压，引起器件的电阻发生变化，而储存数据。
被称为可编程金属化单元(PMC)的导电桥式随机存储器(Conducting BridgingRandom Access Memory,CBRAM)是一种非常有潜力的RRAM。传统的CBRAM一般为三明治结构，一个电极为活泼金属，如Cu或Ag；中间层一般为固态电解质，如Ag2S等；另一个电极为惰性金属，如Pt或Au。现在的CBRAM也可以通过在中间层掺杂活泼金属或者在电极和中间层之间加入含有活泼金属的插入层来制得。CBRAM的阻变机制一般被认为是金属阳离子在中间层中迁移导致连接底电极和顶电极的导电细丝形成或断裂，进而表现出低阻态或者高阻态。然而，传统的CBRAM在制备好之后需要施加一个很大的Forming电压(一般大于5V)才能使器件发生阻态的转变；在进行电阻转变时也需要施加1V左右的电压；同时器件的稳定性欠佳，这些缺点使得CBRAM很难大规模阵列中使用。同时，CBRAM作为一种非线性电阻，其电导值可以随着施加电压的不同而发生连续的变化并且能够在断电的情况下保持该变化，因此在神经突触仿生方面具有很大的潜力。然而，在人的大脑中，信息的传递、储存等过程所消耗的能量很低，这在实际器件中很难实现。因此，降低器件的功耗是必然选择。
基于目前CBRAM存在的技术缺陷，有必要对此进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于钛银合金的低功耗CBRAM器件及其制备方法，以解决现有技术中存在的技术缺陷。
第一方面，本发明提供了一种基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，包括：
底电极；
插入层，位于所述底电极一侧表面；
阻变层，位于所述插入层远离所述底电极一侧表面；
顶电极，位于所述阻变层远离所述底电极一侧表面；
其中，所述插入层的材料为Ti、Ag合金材料。
可选的，所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，所述底电极的材料为Ti、Pt、W或TiN中的一种；所述阻变层的材料为含氧碲化锗材料，所述顶电极的材料为Pt或Ti中的一种。
可选的，所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，所述底电极的厚度为150～200nm，所述插入层的厚度为20～50nm，所述阻变层的厚度为50～100nm，所述顶电极的厚度为80～120nm。
可选的，所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，所述顶电极的形状为矩形或圆形，所述矩形的边长为100～900μm，所述圆形的直径为100～900μm。
第二方面，本发明还提供了一种基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，包括以下步骤：
提供底电极；
在所述底电极表面制备插入层；
在所述插入层远离所述底电极一侧的表面制备阻变层；
在所述阻变层远离所述底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，所述插入层的材料为Ti、Ag合金材料。
可选的，所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，在所述底电极表面制备插入层具体包括：
以金属钛、金属银为靶材，利用磁控溅射法在所述底电极表面沉积得到钛、银合金即为插入层。
可选的，所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，利用磁控溅射法在所述底电极表面沉积得到钛、银合金控制的工艺条件为：控制磁控溅射设备真空室内的压强为3～5×10-1Pa，金属钛靶材以及金属银靶材的溅射功率均为10～40W，金属钛靶材和金属银靶材同时溅射。
可选的，所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，所述阻变层为含氧碲化锗材料，所述阻变层的制备方法具体为：控制磁控溅射设备真空室内的压强为3～5×10-1Pa，以碲化锗为靶材控制溅射功率为30～60W，利用磁控溅射法即可在插入层远离所述底电极一侧的表面制备得到阻变层。
可选的，所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，所述顶电极的材料为钛，所述顶电极的制备方法为：控制磁控溅射设备真空室内的压强为3～5×10-1Pa，以金属钛为靶材控制溅射功率为30～60W，利用磁控溅射法即可在所述阻变层远离所述底电极一侧的表面制备得到顶电极。
第三方面，本发明还提供了所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件或所述的制备方法制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件在神经突触仿生器件中的应用。
本发明的一种基于钛银合金的低功耗CBRAM器件相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，采用Ti、Ag合金代替传统的Ag制备的CBRAM器件，其高低阻态的电阻分布更加集中，进一步提高了器件性能的稳定性；本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件可以在更低的功耗下实现电导的连续调控，这为低功耗忆阻器阵列的搭建以及低功耗类脑神经形态芯片的研制提供了新的可能；
(2)本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，相较于常规器件，可以在更低的功耗下进行STDP学习规则的模拟；
(3)本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的set电压约为-0.2V，reset电压约为0.1V，而常规CBRAM器件的转变电压往往在1V左右，可以看出，本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的转变电压相较于与传统的CBRAM器件降低了约一个数量级，这也会导致功耗的大幅度降低；
(4)本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件几乎不需要Forming过程，而常规的CBRAM器件的Forming电压往往大于1V。可以看出，当对得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的三维集成阵列进行测试时，相较于传统的CBRAM器件，操作将更加简单，能耗将进一步降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的FIB-SEM示意图；
图3为本发明的实施例1制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的I-V曲线图；
图4为本发明的实施例1制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的阻态分布图；
图5为对比例1制备得到的CBRAM器件的Forming曲线图；
图6为对比例1制备得到的CBRAM器件的I-V曲线图；
图7为对比例1制备得到的CBRAM器件的阻态分布图；
图8为本发明的实施例2制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的I-V曲线图；
图9为本发明的实施例3制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的I-V曲线图；
图10为本发明的实施例1制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件在单个脉冲循环下的电导渐变曲线图；
图11为本发明的实施例1制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件在多个脉冲循环下的电导渐变曲线图；
图12为本发明的实施例1制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件在另一种单个脉冲循环下的电导渐变曲线图；
图13为本发明的实施例1制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件在另一种多个脉冲循环下的电导渐变曲线图；
图14为施加在本发明实施例1中制备得到的CBRAM器件上的电压示意图；
图15为本发明实施例1中制备得到的CBRAM器件的STDP特性曲线图；
图16为另一种施加在本发明实施例1中制备得到的CBRAM器件上的电压示意图；
图17为本发明实施例1中制备得到的CBRAM器件的另一种STDP特性曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，包括：
底电极1；
插入层2，位于底电极1一侧表面；
阻变层3，位于插入层2远离底电极1一侧表面；
顶电极4，位于阻变层3远离底电极1一侧表面；
其中，插入层2的材料为Ti、Ag合金材料。
需要说明的是，本申请实施例中，底电极1的材料为Ti、Pt、W或TiN中的一种，阻变层3的材料为含氧碲化锗材料，含氧碲化锗材料为GeTeOx，顶电极4的材料为Pt或Ti中的一种；底电极1的厚度为150～200nm，插入层2的厚度为20～50nm，阻变层3的厚度为50～100nm，顶电极4的厚度为80～120nm；顶电极4的形状为矩形或圆形，矩形的边长为100～900μm，圆形的直径为100～900μm，实际中顶电极4可阵列设置在阻变层3上。
具体的，本申请实施例中，底电极1为Pt材料，厚度约为169nm，插入层2厚度约为39nm，阻变层厚度约为89nm，顶电极为钛材料，厚度约为91nm，顶电极4的形状为矩形，矩形边长约为600μm。图2显示了该CBRAM器件的FIB-SEM示意图。
基于，同一发明构思，本申请实施例还提供了上述基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供底电极；
S2、在底电极表面制备插入层；
S3、在插入层远离底电极一侧的表面制备阻变层；
S4、在阻变层远离底电极一侧的表面制备顶电极；
其中，插入层的材料为Ti、Ag合金材料。
具体的，S1包括：在Si/SiO2/Ti基底表面生长Pt即得底电极，具体的生长方法可为化学气相沉积、物理气相沉积等，本实施例中采用化学气相沉积生长Pt；
S2包括：对S1中生长有底电极Pt的衬底材料依次使用丙酮、乙醇、去离子水在超声仪中超声清洗30min，之后取出并将其吹干，然后在底电极的一侧边缘处贴绝缘胶，预留出底电极；在磁控溅射设备上安装金属钛靶和金属银靶，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内，开启直流溅射电源，室温下控制真空室内的系统压强为4.1×10-1Pa，在钛靶溅射功率为30W和银靶溅射功率为30W的条件下，在底电极Pt层表面共溅射，溅射沉积时间为600s，沉积完毕后，关闭直流溅射电源，即得插入层；
S3包括：在磁控溅射设备上安装碲化锗靶，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内，开启直流溅射电源，室温下控制真空室内的系统压强为4.1×10-1Pa，在碲化锗靶溅射功率为40W的条件下，在插入层表面溅射，溅射沉积时间为1800s，沉积完毕后，关闭直流溅射电源，即得GeTeOx薄膜阻变层，由于在制备过程中腔体内的真空度不够高，所以制备的碲化锗阻变层含氧；
S4包括：在磁控溅射设备上钛靶，以氩气为惰性气体通入磁控溅射设备的真空室内，开启直流溅射电源，室温下控制真空室内的系统压强为4.1×10-1Pa，在钛靶溅射功率为40W的条件下，在阻变层表面溅射，溅射沉积时间为1800s，沉积完毕后，关闭直流溅射电源，即得顶电极。
实施例2
本实施例的CBRAM器件，与实施例1中的CBRAM器件的结构和制备方法均相同，区别在于，本实施例中的制备插入层的步骤当中，银靶的溅射功率为20W，其他参数均与实施例1相同。
实施例3
本实施例的CBRAM器件，与实施例1中的CBRAM器件的结构和制备方法均相同，区别在于，本实施例中的制备插入层的步骤当中，银靶的溅射功率为40W，其他参数均与实施例1相同。
对比例1
本对比例的CBRAM器件，与实施例1中的CBRAM器件的结构和制备方法均相同，区别在于，本对比例中的制备插入层的步骤当中，钛靶的溅射功率为0W，其他参数均与实施例1相同，即制备得到的插入层为Ag。
性能测试
分别将实施例1～3中制备得到的CBRAM器件进行相应的性能测试，测试全都是在安捷伦B1500A半导体参数分析仪测试平台上进行的，这里主要对实施例1中CBRAM器件进行详细地说明。
首先，对实施例1中制备得到的CBRAM器件的阻变特性进行测试，在测试前，先去掉贴在阻变存储器上的绝缘胶带，使底电极暴露出来，然后将其置于探针台上，用两个探针分别接触器件的底电极和顶电极。在顶电极上施加-0.4V～0.5V的直流扫描电压，底电极接地，进行100次扫描电压循环测试，得到的I-V曲线如图3所示。
从图3中可以看出，该I-V曲线表现出明显的双极性电阻转变特性且一个扫描电压循环包括四个部分：首先从0V扫描到-0.4V，再从-0.4V扫描到0V，之后从0V扫描到0.5V，最后从0.5V扫描到0V，即完成一个扫描周期，每部分扫描步数均为101。为了防止测试过程中电流过大而把器件击穿，在施加负向电压时需要设定一个大小为100μA的限制电流。当电压从0V扫描到-0.4V时，可以看到流过器件的电流逐渐增加，当电压到-0.16V左右时器件电流突然增加，此时器件由高阻态转变成低阻态，该过程称为set过程；当电压从0扫描到0.5V时，流过器件的电流先增大，当电压达到0.07V左右时，流过器件的电流突然减小，此时器件从低阻态变回高阻态，该过程为reset过程。根据该I-V曲线可以看出，该CBRAM器件在测试时不需要Forming过程(Forming-free)并且器件的转变电压很小，在100μA的限流下也有稳定的电阻转变特性。在-0.1V的电压下读取实施例1中得到的CBRAM器件高阻态和低阻态的电阻值，得到该器件的电阻分布图，如图4所示。
在对比例1中制备得到的CBRAM器件的顶电极上施加一个从0V到-3V的扫描电压，并设置一个3mA的限流，可以观察到当电压扫描到-1.2V左右时电流达到限流，该过程即为Forming过程，如图5所示；在进行Forming过程之后，按照上述实施例1中同样的方法得到对比例1中制备得到的CBRAM器件的I-V曲线图和电阻分布图，结果分别如图6～7所示。通过对比可以发现，对比例1中制备得到的CBRAM器件在进行测试前需要一个Forming过程并且该器件的电阻分布、转变电压分布没有实施例1中制备得到的CBRAM器件稳定。
按照上述实施例1同样的方法分别得到实施例2～3中得到的CBRAM器件的I-V曲线图，结果分别如图8、图9所示，从图8、图9中可知，实施例2～3制备得到的CBRAM器件也具有Forming-free、转变电压低、稳定性高等一系列优点。
接下来对实施例中制备得到的CBRAM器件的忆阻特性进行测试。当给CBRAM器件的顶电极上施加负向脉冲时，器件的电导会逐渐增大；当在顶电极上施加正向脉冲时，器件的电导会逐渐减小。其中，负向脉冲的幅值为-0.2V～-1V，脉宽为100ns～10μs，延时为100ns～10μs；正向脉冲的幅值为0.2V～1V，脉宽为100ns～10μs，延时为100ns～10μs。这里以实施例1中制备得到的CBRAM器件为例，详细说明，测试结果如图10所示。可以发现，当对该CBRAM器件施加幅值为-0.42V，脉宽为100ns，延时为1μs的矩形波时，该CBRAM器件的电导逐渐增大；当对该CBRAM器件施加幅值为0.37V，脉宽为100ns，延时为1μs的矩形波时，器件的电导逐渐减小，这种CBRAM器件的电导在单个脉冲激励下逐渐增大或减小的特性可以用来模拟生物突触中的增强和抑制。
进一步对实施例1中制备得到的CBRAM器件重复施加上述单个脉冲后，可以得到该CBRAM器件的电导值在脉冲下连续可调的特性，如图11所示，这种特性可以用作对神经突触长时程可塑性(LTP)的模拟。
当对实施例1中制备得到的CBRAM器件施加幅值为-0.4V或0.33V，脉宽为100ns，延时为1μs的矩形波时，也可以得到相似的结果，结果如图12所示。从图12中可知，该CBRAM器件的电导在该脉冲下也可以逐渐增大或减小；进一步对实施例1中制备得到的CBRAM器件重复施加上述单个脉冲后，也可以得到该CBRAM器件的电导值在脉冲下连续可调的特性，如图13所示。
为了更加深入的探究实施例1中制备得到的CBRAM器件的忆阻特性，对生物神经学习规则STDP(脉冲时序依赖可塑性)也进行了模拟。对该CBRAM器件的顶电极和底电极同时施加脉冲，在顶电极上施加的脉冲相当于突触前刺激，在底电极上施加的脉冲相当于突触后刺激，定义电子突触的相对变化量为：Δω＝(Iafter-Ibefore)/Ibefore，其中Δω被定义为突触权重，Ibefore和Iafter分别是突触前刺激和突触后刺激施加之前和之后对应的电流，突触前刺激与突触后刺激的相对时间差被定义为Δt＝tpost-tpre。其中，突触前刺激是由8个幅值逐渐增大的负脉冲和8个幅值逐渐减小的正脉冲组成的，其中，负脉冲的幅值为0V～-0.3V；正脉冲的幅值为0V～0.3V，突触后刺激则是一个正脉冲或负脉冲，其中，正脉冲的幅值为0.1V～0.5V，负脉冲的幅值为-0.1V～-0.5V。所有脉冲的脉宽为100ns～10μs，两个脉冲之间的延时为100ns～10μs。在实际测试中，施加在CBRAM器件上的脉冲信号的幅值为突触前刺激的幅值减去突触后刺激的幅值，因此只有当突触前刺激和突触后刺激重叠时，才可以产生具有足够幅值的编程脉冲来调节CBRAM器件的电导。
图14为施加在实施例1中制备得到的CBRAM器件上的电压示意图，突触前刺激中负脉冲的幅值从-0.18V逐渐增加到-0.25V，每次增加-0.01V；正脉冲的幅值从0.25V逐渐减少到0.18V，每次减少0.01V，突触后刺激中脉冲的幅值为0.25V或-0.24V，对实施例1中得到的CBRAM器件施加如图14所示的电压，可以得到该器件的STDP特性，结果如图15所示。从图15中可知，当Δt较小时，Δω变化量较大；Δt较大时，Δω变化量较小，这对应生物神经突触中当两个事件发生的时间间隔较短时，突触权重变化量大；当两个事件发生的时间间隔较长时，突触权重变化量小，该测试结果表明突触权重的变化趋势符合STDP学习规则。
此外，当对实施例1中制备得到的CBRAM器件施加如图16所示的脉冲波形时，也可以得到类似的STDP特性，结果如图17所示。
通过上述性能测试可知，本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件具有以下优点：
1、对本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件施加幅值约为0.5V，脉宽为100ns左右的脉冲电压就可以实现电导的连续调控，而常规CBRAM器件往往需要施加幅值超过1V，脉宽超过100μs的脉冲电压才可以实现，可以看出，本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件可以在更低的功耗下实现电导的连续调控，这为低功耗忆阻器阵列的搭建以及低功耗类脑神经形态芯片的研制提供了新的可能。
2、对本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件施加幅值约为0.5V，脉宽为1μs左右的脉冲电压就可以模拟生物神经元间的连接桥梁——突触的脉冲时间依赖可塑性(spike-timing-dependent plasticity，STDP)学习规则，而常规CBRAM器件往往需要施加幅值超过1V，脉宽超过100μs的脉冲电压才可以实现。可以看出，本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件相较于常规器件，可以在更低的功耗下进行STDP学习规则的模拟。
3、本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的set电压约为-0.2V，reset电压约为0.1V，而常规CBRAM器件的转变电压往往在1V左右，可以看出，本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的转变电压相较于与传统的CBRAM器件降低了约一个数量级，这也会导致功耗的大幅度降低。
4、本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件几乎不需要Forming过程，而常规的CBRAM器件的Forming电压往往大于1V。可以看出，当对得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的三维集成阵列进行测试时，相较于传统的CBRAM器件，操作将更加简单，能耗将进一步降低。
5、本申请制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，采用Ti、Ag合金代替传统的Ag制备的CBRAM器件，其高低阻态的电阻分布更加集中，进一步提高了器件性能的稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，其特征在于，所述基于钛银合金的低功耗CBRAM器件，包括：
底电极；
插入层，位于所述底电极一侧表面；
阻变层，位于所述插入层远离所述底电极一侧表面；
顶电极，位于所述阻变层远离所述底电极一侧表面；
其中，所述插入层的材料为Ti、Ag合金材料；
所述底电极的材料为Ti、Pt、W或TiN中的一种；
所述阻变层的材料为含氧碲化锗材料，所述顶电极的材料为Pt或Ti中的一种；
所述插入层的厚度为20～50nm；
所述基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，包括以下步骤：
提供底电极；
在所述底电极表面制备插入层；
在所述插入层远离所述底电极一侧的表面制备阻变层；
在所述阻变层远离所述底电极一侧的表面制备顶电极；
在所述底电极表面制备插入层具体包括：
以金属钛、金属银为靶材，利用磁控溅射法在所述底电极表面沉积得到钛、银合金即为插入层；
所述阻变层的制备方法具体为：控制磁控溅射设备真空室内的压强为3～5×10-1Pa，以碲化锗为靶材控制溅射功率为30～60W，利用磁控溅射法即可在插入层远离所述底电极一侧的表面制备得到阻变层。
2.如权利要求1所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，其特征在于，所述底电极的厚度为150～200nm，所述阻变层的厚度为50～100nm，所述顶电极的厚度为80～120nm。
3.如权利要求1所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，其特征在于，所述顶电极的形状为矩形或圆形，所述矩形的边长为100～900μm，所述圆形的直径为100～900μm。
4.如权利要求1所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，其特征在于，利用磁控溅射法在所述底电极表面沉积得到钛、银合金控制的工艺条件为：控制磁控溅射设备真空室内的压强为3～5×10-1Pa，金属钛靶材以及金属银靶材的溅射功率均为10～40W，金属钛靶材和金属银靶材同时溅射。
5.如权利要求1所述的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件的制备方法，其特征在于，所述顶电极的材料为钛，所述顶电极的制备方法为：控制磁控溅射设备真空室内的压强为3～5×10-1Pa，以金属钛为靶材控制溅射功率为30～60W，利用磁控溅射法即可在所述阻变层远离所述底电极一侧的表面制备得到顶电极。
6.一种如权利要求1～5任一所述的制备方法制备得到的基于钛银合金的低功耗CBRAM器件在神经突触仿生器件中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011309719.5A CN112420922B (zh) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | 一种基于钛银合金的低功耗cbram器件及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011309719.5A CN112420922B (zh) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | 一种基于钛银合金的低功耗cbram器件及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112420922A CN112420922A (zh) | 2021-02-26 |
| CN112420922B true CN112420922B (zh) | 2023-12-19 |
Family
ID=74774252
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011309719.5A Active CN112420922B (zh) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | 一种基于钛银合金的低功耗cbram器件及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112420922B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118116437A (zh) * | 2024-04-25 | 2024-05-31 | 中国电子科技集团公司第五十八研究所 | 一种可实现存内计算功能的忆阻突触单元结构 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101355137A (zh) * | 2007-07-23 | 2009-01-28 | 财团法人工业技术研究院 | 相变存储器装置及其制造方法 |
| JP2013191662A (ja) * | 2012-03-13 | 2013-09-26 | Toshiba Corp | 不揮発性記憶装置及びその製造方法 |
| CN103367637A (zh) * | 2013-07-16 | 2013-10-23 | 河北师范大学 | 一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器 |
| CN103794224A (zh) * | 2014-01-27 | 2014-05-14 | 华中科技大学 | 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法 |
| WO2014094334A1 (zh) * | 2012-12-20 | 2014-06-26 | 华中科技大学 | 一种基于AgInSbTe硫系化合物的忆阻器及其制备方法 |
| CN104752608A (zh) * | 2013-12-26 | 2015-07-01 | 北京有色金属研究总院 | 一种忆阻器及其制备方法 |
| CN107579153A (zh) * | 2017-07-17 | 2018-01-12 | 湖北大学 | 一种基于电极铪（Hf）掺杂的低功耗阻变存储器及其制备方法 |
| CN108400238A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-08-14 | 湖北大学 | 一种基于GeTe的双功能器件及其制备方法 |
| CN108666419A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-10-16 | 湖北大学 | 一种基于GeTe的互补型阻变存储器及其制备方法 |
| 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 |
| CN111463346A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-07-28 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种ots选通材料、ots选通单元及其制备方法和存储器 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7534647B2 (en) * | 2005-06-17 | 2009-05-19 | Macronix International Co., Ltd. | Damascene phase change RAM and manufacturing method |
| TWI345827B (en) * | 2007-01-10 | 2011-07-21 | Nanya Technology Corp | Phase change memory device and method of fabricating the same |
| US20140268991A1 (en) * | 2013-03-14 | 2014-09-18 | Micron Technology, Inc. | Chalcogenide material and methods for forming and operating devices incorporating the same |
| JP2014179571A (ja) * | 2013-03-15 | 2014-09-25 | Toshiba Corp | 抵抗変化型記憶装置 |
| JP2017174857A (ja) * | 2016-03-18 | 2017-09-28 | 東芝メモリ株式会社 | 不揮発性記憶装置 |
| US10741759B2 (en) * | 2017-09-26 | 2020-08-11 | University Of Massachusetts | Diffusive memristor and device for synaptic emulator |
| CN111418078B (zh) * | 2017-09-29 | 2024-03-05 | 昕原半导体(上海)有限公司 | 电阻式随机访问存储器和制作技术 |
-
2020
- 2020-11-20 CN CN202011309719.5A patent/CN112420922B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101355137A (zh) * | 2007-07-23 | 2009-01-28 | 财团法人工业技术研究院 | 相变存储器装置及其制造方法 |
| JP2013191662A (ja) * | 2012-03-13 | 2013-09-26 | Toshiba Corp | 不揮発性記憶装置及びその製造方法 |
| WO2014094334A1 (zh) * | 2012-12-20 | 2014-06-26 | 华中科技大学 | 一种基于AgInSbTe硫系化合物的忆阻器及其制备方法 |
| CN103367637A (zh) * | 2013-07-16 | 2013-10-23 | 河北师范大学 | 一种可同时调控介质层电性与磁性的多维度存储器 |
| CN104752608A (zh) * | 2013-12-26 | 2015-07-01 | 北京有色金属研究总院 | 一种忆阻器及其制备方法 |
| CN103794224A (zh) * | 2014-01-27 | 2014-05-14 | 华中科技大学 | 一种基于相变磁性材料的非易失性逻辑器件及逻辑操作方法 |
| CN107579153A (zh) * | 2017-07-17 | 2018-01-12 | 湖北大学 | 一种基于电极铪（Hf）掺杂的低功耗阻变存储器及其制备方法 |
| CN108400238A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-08-14 | 湖北大学 | 一种基于GeTe的双功能器件及其制备方法 |
| CN108666419A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-10-16 | 湖北大学 | 一种基于GeTe的互补型阻变存储器及其制备方法 |
| 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 |
| CN111463346A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-07-28 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种ots选通材料、ots选通单元及其制备方法和存储器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| "Improvement of CBRAM Resistance Window by Scaling Down Electrode Size in Pure-GeTe Film";Sang-Jun Choi et al.;《IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS》;120-122 * |
| "Performance Improvement of Conductive Bridging Random Access Memory by Electrode Alloying";Leilei Qiao et al.;《J. Phys. Chem. C》;11438 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112420922A (zh) | 2021-02-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ismail et al. | Forming-free Pt/Al2O3/HfO2/HfAlOx/TiN memristor with controllable multilevel resistive switching and neuromorphic characteristics for artificial synapse | |
| 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 | |
| Chandrasekaran et al. | Enhanced synaptic linearity in ZnO-based invisible memristive synapse by introducing double pulsing scheme | |
| Ilyas et al. | Controllable resistive switching of STO: Ag/SiO2-based memristor synapse for neuromorphic computing | |
| Mikhaylov et al. | One-board design and simulation of double-layer perceptron based on metal-oxide memristive nanostructures | |
| CN109802035B (zh) | 一种基于忆阻器的神经突触仿生器件及制备方法 | |
| Li et al. | Electronic synaptic characteristics and simulation application of Ag/CeO2/Pt memristor | |
| Lee et al. | Improved switching and synapse characteristics using PEALD SiO2 thin film in Cu/SiO2/ZrO2/Pt device | |
| CN110676375A (zh) | 一种双阻变层忆阻器及制备方法 | |
| CN112420922B (zh) | 一种基于钛银合金的低功耗cbram器件及其制备方法和应用 | |
| Ali et al. | Versatile GeS-based CBRAM with compliance-current-controlled threshold and bipolar resistive switching for electronic synapses | |
| So et al. | Short-term memory characteristics in n-type-ZnO/p-type-NiO heterojunction synaptic devices for reservoir computing | |
| Ismail et al. | Nano-crystalline ZnO memristor for neuromorphic computing: Resistive switching and conductance modulation | |
| Zhu et al. | Synaptic Learning and Forgetting Behavior in Ag/AlN/Al Memristor With ${\text {O} _ {2}} $ Annealing Effect | |
| CN108987568B (zh) | 基于钒酸铋颗粒薄膜的神经仿生器件、其制备方法及应用 | |
| Zhao et al. | Bio-synapse behavior controlled by interface engineering in ferroelectric tunnel memristors | |
| CN111900250A (zh) | 一种基于二维过渡金属材料的忆阻器及其制备方法 | |
| CN110970554B (zh) | 一种钛酸钡单晶外延薄膜阈值开关器件及其制备方法 | |
| CN111192957A (zh) | 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 | |
| CN112018236A (zh) | 一种基于pzt的忆阻器件、其制备方法及其应用 | |
| CN106784307B (zh) | 一种基于TiO2神经仿生层的神经仿生器件及其制备方法 | |
| CN111769194B (zh) | 一种基于锯齿结构纳米线的柔性光电传感忆阻器 | |
| Ju et al. | Realization of Multiple Synapse Plasticity by Coexistence of Volatile and Nonvolatile Characteristics of Interface Type Memristor | |
| Huang et al. | Transition from synaptic simulation to nonvolatile resistive switching behavior based on an Ag/Ag: ZnO/Pt memristor | |
| CN112909168B (zh) | 一种基于锂掺杂氧化铌的多功能存储器件及其制备方法 |
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 |