CN113161479A - 一种剥离式自支撑的神经突触仿生器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体为一种剥离式自支撑的神经突触仿生器件的制备方法。本发明制备方法包括以下步骤：提供支撑衬底；在所述支撑衬底上旋凃形成柔性薄膜，并进行烘烤；生长第一层电极；生长功能层；光刻定义顶电极阵列图形，生长并刻蚀形成顶电极阵列；以及将柔性薄膜从支撑衬底上剥离获得自支撑的柔性神经突触仿生器件。本发明通过将柔性薄膜溶液旋涂于支撑衬底获得平整的界面，并在器件制备完成后将其整体剥离，极大提高了器件良率、有效降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种剥离式自支撑的神经突触仿生器件的制备方法。
背景技术
目前，可穿戴式与便携式电子设备需求的快速增长促进了柔性电子器件的研发。柔性电子器件拥有低成本、质轻、便携、可穿戴等特点被研究人员关注。
传统的冯诺依曼式计算架构正面临存储与计算单元分离的发展困境，极大限制了计算的效率，增加了计算的功耗。受人脑工作模式的启发，神经计算架构具有并行计算、低功耗、高效率等优势。神经突触仿生器件作为神经计算架构的基本单元，可模拟神经突触的功能特性。研发具有神经突触功能的柔性电子器件，对于可穿戴式神经计算系统的发展具有重要意义。
柔性衬底较差的耐温能力与衬底易弯曲等特点极大地增加了制备工艺的难度，限制了柔性电子的发展。在硅基衬底制备器件并转移至柔性衬底成为一种有效的方案。然而，转移过程极大降低了器件的良率。另一种方案是直接在柔性衬底上制备，但是由于柔性衬底的不平整等原因，容易导致光刻工艺不兼容等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种无需转移的剥离式自支撑神经突触仿生器件的制备方法。
本发明提供的剥离式自支撑神经突触仿生器件的制备方法，具体步骤为：
提供支撑衬底；
在所述支撑衬底上旋凃形成柔性薄膜，并进行烘烤；
生长第一层电极；
生长功能层；
光刻定义顶电极阵列图形，生长并刻蚀形成顶电极阵列；以及
将柔性薄膜从支撑衬底上剥离获得自支撑的柔性神经突触仿生器件。
本发明中，优选为，所述支撑衬底为SiO2衬底。
本发明中，优选为，在形成所述柔性薄膜前，采用丙酮、异丙醇、去离子水分别对支撑衬底进行超声清洗。
本发明中，优选为，在所述支撑衬底上旋凃形成柔性薄膜的步骤中，采用粘度范围为3000~5000 Pa·s的聚酰亚胺溶液进行旋凃。
本发明中，优选为，在所述支撑衬底上旋凃形成柔性薄膜的步骤中，先以500r/s的转速旋凃5s~30s，之后以3000r/s的转速旋凃40s~150s。
本发明中，优选为，烘烤的温度为250℃~350℃，时间为30min~2h。
本发明中，优选为，所述第一层电极为Al、Pt、Au、Ni，厚度为50nm~200nm。
本发明中，优选为，所述功能层为HfOx，ZrOx，Al2O3、TiOx、ZnOx，厚度为30nm~100nm。
本发明中，优选为，顶电极为ITO、Pt、TiN、TaN，厚度为50nm~200nm。
本发明中，优选为，利用电子束蒸发生长第一层电极。
本发明通过将柔性薄膜溶液旋涂于支撑衬底获得平整的界面，并在器件制备完成后将其整体剥离，极大提高了器件良率、有效降低了生产成本。此外，避免了传统工艺中，由于柔性衬底不平整等原因导致的光刻工艺不兼容等问题。
附图说明
图1是剥离式自支撑的神经突触仿生器件制备方法的流程图。
图2是形成柔性薄膜后的器件结构剖视图。
图3是形成第一电极和功能层后的器件结构剖视图。
图4是形成顶电极阵列后的器件结构剖视图。
图5是形成顶电极阵列后的器件结构俯视图。
图6是剥离式自支撑的神经突触仿生器件的剖视图。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是本发明的剥离式自支撑的神经突触仿生器件制备方法的流程图。如图1所示，首先，在步骤S1中，提供支撑衬底200。准备一个四英寸的氧化硅片作为初始支撑层，厚度约为300nm。采用丙酮、异丙醇、去离子水分别超声15min完成清洗。
接下来，在步骤S2中，在支撑衬底上旋凃形成柔性薄膜，所得结构如图2所示。具体而言，将聚酰亚胺（PI）溶液，旋涂在清洗过的氧化硅片200上来制备柔性薄膜201。旋凃时，先以低速旋凃形成底层薄膜，然后转为高速旋凃直至达到目标厚度。优选地，先以500r/s的转速旋凃5s~30s，然后再以3000r/s的转速，旋凃40s~150s。在本实施例中，先以500r/s的转速旋凃20s，然后再以3000r/s的转速旋凃1min。优选地，聚酰亚胺溶液的粘度范围为3000~5000 Pa·s。旋凃完毕后，将所形成的柔性薄膜在250~350℃的温度下，烘烤30min~2h。在本实施例中，烘烤温度为300℃，时间为1h。
之后，在步骤S3中，利用电子束蒸发（EBE）生长100nm的Al作为第一层电极202。第一层电极还可以是Pt、Au、Ni等，厚度优选为50nm~200nm。
接下来，在步骤S4中，利用物理气相沉积沉积（PVD）在第一层电极202上生长50nm的HfOx作为功能层203，所得结构如图3所示。功能层还可以采用ZrOx，Al2O3、TiOx、ZnOx等。优选的厚度为30nm~100nm。
然后，在步骤S5中，光刻定义顶电极阵列，生长并刻蚀形成顶电极阵列204。首先，利用紫外光刻定义顶电极形状，如方形、圆形等。进一步优选的边长为50um，100um，200um，300um，400um等。然后，利用PVD溅射生长顶部50nm厚的ITO电极。但是，本发明不限定于此，电极材料例如还可以是Pt、TiN、TaN等，厚度优选为50nm~200nm。最后，利用丙酮去除多余金属，保留光刻定义的形状的金属作为顶电极阵列204，所得结构如图4和图5所示。
最后，在步骤S6中，将柔性器件从支撑衬底200上剥离获得自支撑的柔性神经突触仿生器件，所得结构如图6所示。
本发明通过将柔性薄膜溶液旋涂于支撑衬底获得平整的界面，并在器件制备完成后将其整体剥离，避免了转移过程的失败，极大提高了器件良率，有效降低了生产成本。另外，有效避免了现有技术直接在柔性衬底上制备器件，由于衬底不平整等原因导致的光刻工艺不兼容等问题。同时，自支撑的柔性器件具有可任意弯曲与可穿戴等特性，相比较厚的柔性衬底更具竞争力，为可穿戴电子设备的发展提供了帮助。进一步地，本发明所制备的柔性神经突触仿生器件能够实现存算一体，可打破传统冯诺依曼式计算架构的瓶颈，为可穿戴式、便携的并行计算的微型计算设备的应用提供可能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种剥离式自支撑的神经突触仿生器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供支撑衬底；
在所述支撑衬底上旋凃形成柔性薄膜，并进行烘烤；
生长第一层电极；
生长功能层；
光刻定义顶电极阵列图形，生长并刻蚀形成顶电极阵列；以及
将柔性薄膜从支撑衬底上剥离获得自支撑的柔性神经突触仿生器件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述支撑衬底为SiO2衬底。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在形成所述柔性薄膜前，采用丙酮、异丙醇、去离子水分别对支撑衬底进行超声清洗。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述支撑衬底上旋凃形成柔性薄膜的步骤中，采用粘度范围为3000~5000 Pa·s的聚酰亚胺溶液进行旋凃。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述支撑衬底上旋凃形成柔性薄膜的步骤中，先以500r/s的转速旋凃5s~30s，之后以3000r/s的转速旋凃40s~150s。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烘烤的温度为250℃~350℃，时间为30min~2h。
7.根据权利要求1所述的剥离式自支撑的神经突触仿生器件制备方法，其特征在于，所述第一层电极材料选自为Al、Pt、Au、Ni，厚度为50nm~200nm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能层材料选自HfOx、ZrO、，Al2O3、TiOx、ZnOx，厚度为30nm~100nm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述顶电极材料选自ITO、Pt、TiN、TaN，厚度为50nm~200nm。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，利用电子束蒸发生长第一层电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210723 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |