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技术

本申请公开了一种易失与非易失电阻转变行为可调控的忆阻器及其制备方法，包括：下电极、功能层和上电极，下电极位于衬底表面，上电极位于器件最上层，功能层夹在上电极和下电极之间形成三明治结构。功能层由离子迁移率不同的第一功能层和第二功能层构成，第一功能层与下电极接触，第二功能层在第一功能层上方，与上电极接触。本申请提供的技术方案通过改变功能层厚度实现器件易失和非易失电阻转变行为的可调控，并且通过利用改变器件结构，而不改变器件材料组成，从而能够在构建全忆阻神经网络时使用同一工艺，降低了制备工艺的难度及复杂程度，同时能够与现有CMOS工艺兼容，有利于在工业上大规模实现。

An adjustable memristor with variable and non-volatile resistance transition behavior and its preparation method

The present application discloses an adjustable memristor with variable and non-volatile resistance transition behavior and its preparation method, including a lower electrode, a functional layer and an upper electrode, a lower electrode on a substrate surface, an upper electrode on the top layer of the device, and a functional layer sandwiched between the upper electrode and the lower electrode to form a sandwich structure. The functional layer consists of the first functional layer and the second functional layer with different ion mobility. The first functional layer contacts the lower electrode, and the second functional layer contacts the upper electrode above the first functional layer. The technical scheme provided in this application realizes the adjustable behavior of the device's volatile and non-volatile resistance transition by changing the thickness of the functional layer, and by changing the device structure without changing the composition of the device material, the same process can be used in the construction of the full memory resistance neural network, which reduces the difficulty and complexity of the preparation process, and is compatible with the existing CMOS process. It is conducive to large-scale industrial realization.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于微电子器件
，更具体的，涉及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。
技术介绍
阻变存储器是一种较为成熟的忆阻器件，其利用器件功能层中导电性质的变化改变器件的阻值，从而达到高低不同的阻态。现有阻变存储器基本为非易失性，利用其存储信息不会改变的特性，可以用于逻辑计算，或者用于大规模存储。另一方面，其独特的电学特性使得其同时也适合于用于突触器件。同时，也存在一些易失性的阻变存储器，也具有一定的应用前景，不仅可以利用其阻态不易保持的特点作为TS(Thresholdswitch，阈值开关)用于集成电路，也可以将其用于神经网络中神经元电路的构成。而同时利用易失器件与非易失器件的特性，可以构建全忆阻的神经网络。目前已有较多文献研究器件的易失和非易失电阻转变行为的转变。文献《VolatileandNon-VolatileSwitchinginCu-SiO2ProgrammableMetallizationCells》中，当器件为SiO2掺杂Cu作为功能层时，器件将呈现易失性具有TS的特性；当器件为不进行掺杂的SiO2作为功能层时，器件呈现非易失性具有MS(MemoristiveSwitch，忆阻开关)的特性。虽然这种器件可以通过掺杂与不掺杂改变其易失与非易失性，但掺杂的方式较为复杂，涉及退火等操作，在构建全忆阻的神经网络时，掺杂与不掺杂两种不同的工艺将增加制备难度及复杂度。部分其它文献中，通过改变器件的限制电流改变器件的易失和非易失电阻转变行为，在低限流下，器件导电丝不稳定将呈现易失性，而高限流下，器件导电丝稳定呈现非易失性。这种方式操作上较为简单，但很难实现不同器件达到不同限流，误操作可能大，不易于在阵列器件中大规模的操作，因此无法在工业上大规模实现。现有技术还有采用石墨烯阻挡层的方式，但与现有CMOS工艺不兼容。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了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，其目的在于，通过改变器件结构，而不改变器件材料组成，能够在构建全忆阻神经网络时使用同一工艺，不会添加工艺难度及复杂度，并且调控操作简单，与现有CMOS工艺兼容，有利于在工业上大规模实现。本专利技术利用CBRAM(ConductivebridgeRAM，导电桥式随机存取存储器)原理，功能层由两种离子迁移率不同的第一功能层和第二功能层构成，上电极的金属离子通过高离子迁移率的第一功能层迁移到低离子迁移率的第二功能层，最后到达下电极。当外加电压时，活性金属离子在高离子迁移率的材料中的扩散速率较快，大量的金属离子在下端被还原成金属粒子，构成形态为上窄下宽梯形结构的导电丝；而在低离子迁移率材料中，活性金属离子的迁移速率较慢，大量的金属离子在接近上侧位置被还原，只有少量的金属离子能够到达下电极，因此还原后的金属粒子构成的导电丝形态为上宽下窄的梯形结构。当低离子迁移速率材料厚度加厚时，能够到达下电极的金属离子较少，导电丝的稳定性较差，当失去外加电压时，金属粒子将形成分离的金属粒子团簇，同时变为高组态。因此可以利用这种方式，采用第一功能层和第二功能层的双层结构，使得活性金属离子通过高离子迁移率材料，形成较为稳定的导电丝，以增强器件的稳定性，同时通过改变低离子迁移率材料的厚度，调控器件导电丝的稳定性，以分别得到具有易失与非易失特性的器件。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，本文所述示例性实施例提供了一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器，包括下电极、功能层和上电极；下电极位于衬底表面，上电极位于器件最上层，功能层夹在上电极与下电极之间形成三明治结构。功能层由离子迁移率不同的第一功能层和第二功能层构成，第一功能层采用Al2O3、HfO2、TiO2、SiO2、Ta2O5、ZrO2、Y2O或Si3N4等低离子迁移率的材料，与下电极接触，第二功能层采用GeTe、GeSe、CuI、Cu2HgI4、Cu2Se(铜离子导体)、RbAg4I5、α-AgI、AgX或Ag2S(银离子导体)等高离子迁移率的材料，在第一功能层上方，与上电极接触。第一功能层的离子迁移率低于所述第二功能层的离子迁移率，通过改变低离子迁移率材料功能层厚度，决定忆阻器能否形成稳定的类似锥形的导电丝，实现调控器件的易失性和非易失性。若第一功能层厚度小于低离子迁移率材料第一临界厚度Ln，Ln范围为3nm～4nm，功能层形成稳定导电丝，器件呈现为非易失性；若第一功能层厚度大于低离子迁移率材料第二临界厚度Lm，Lm范围为4nm～8nm，功能层无法形成稳定导电丝，器件呈现为易失性。优选地，第二功能层的厚度为10nm～100nm。优选地，第一功能层的厚度为1nm～4nm，小于低离子迁移率材料第一临界厚度，形成稳定导电丝，器件呈现为非易失性；所述第一功能层的厚度为4nm～10nm，大于低离子迁移率材料第二临界厚度，无法形成稳定导电丝，器件呈现为非易失性。优选的，下电极采用惰性金属材料作为电极，例如TaN、TiN、TiAlN、TiW、Pt、TiN或TiW等，厚度为100nm。优选的，上电极采用活性金属材料作为电极，例如Cu，Ag或Ni等，厚度为100nm。为实现本专利技术的目的，按照本专利技术的另一个方面，提供一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器的制备方法，包括：在衬底表面形成下电极；根据预设的第一工艺流程，形成位于下电极表面的第一功能层，其中第一工艺流程包括原子层沉积等；根据预设的第二工艺流程，形成位于第一功能层表面的第二功能层，其中第二工艺流程包括磁控溅射等；在第二功能层表面形成上电极。其中，第一工艺流程形成的第一功能层的离子迁移率低于第二工艺流程形成的第二功能层。本专利技术所提供的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与现有技术相比能够取得下列有益效果：1、用器件功能层由两种离子迁移率不同的第一功能层和第二功能层的双层结构构成，通过第一功能层的高离子迁移率材料形成较为稳定的导电丝，以增强器件的稳定性；同时通过改变第二功能层的低离子迁移率材料的厚度，调控导电丝的稳定性，使得器件的易失性和非易失性发生改变，实现器件易失和非易失电阻转变行为的可调控。2、通过利用改变器件结构，而不改变器件材料组成，使得其制备方法具有工艺同一性，降低了制备工艺的难度及复杂程度；3、器件的易失和非易失电阻转变行为不受限流高低的影响，误操作可能小，易于在阵列中器件大规模的操作。4、制备工艺与现有CMOS工艺兼容，可以在工业上大规模实现。附图说明图1为本专利技术实例提供的易失与非易失电阻转变行为可调控忆阻器结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的易失与非易失电阻转变行为可调控忆阻器易失与非易失结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的易失性与非易失性理想电流电压关系图；图4为本专利技术实施例提供的易失与非易失电阻转变行为可调控忆阻器原理示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。图1为本专利技术实施例提供的一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器的结构示意图，参考本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种易失与非易失电阻转变行为可调控的忆阻器，所述忆阻器包括：下电极、功能层和上电极，所述下电极位于衬底表面，所述上电极位于器件最上层，所述功能层夹在所述上电极和所述下电极之间形成三明治结构，其特征在于，所述功能层由离子迁移率不同的第一功能层和第二功能层构成，第一功能层与所述下电极接触，第二功能层在第一功能层上方，与所述上电极接触。

【技术特征摘要】
1.一种易失与非易失电阻转变行为可调控的忆阻器，所述忆阻器包括：下电极、功能层和上电极，所述下电极位于衬底表面，所述上电极位于器件最上层，所述功能层夹在所述上电极和所述下电极之间形成三明治结构，其特征在于，所述功能层由离子迁移率不同的第一功能层和第二功能层构成，第一功能层与所述下电极接触，第二功能层在第一功能层上方，与所述上电极接触。2.如权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述第一功能层的离子迁移率低于所述第二功能层的离子迁移率。3.如权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述第一功能层采用的材料为Al2O3、HfO2、TiO2、SiO2、Ta2O5、ZrO2、Y2O或Si3N4，所述第二功能层采用的材料为GeTe、GeSe、CuI、Cu2HgI4、Cu2Se、RbAg4I5、α-AgI、AgX或Ag2S。4.如权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，当第一功能层厚度小于第一临界厚度Ln时，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祎，李灏阳，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42