忆阻器及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供了一种忆阻器及其制备方法，涉及微电子的技术领域。本发明专利技术的忆阻器包括依次排列的底电极、电介质层、阻变层以及顶电极；其中的电介质层为非晶二氧化硅，阻变层为铜掺杂钛酸锶。本发明专利技术解决了忆阻器耐受性不足、稳定性低以及均一性不佳的技术问题，达到了具有优异的耐久性能、出色的开关性能、高的稳定性能以及出色的均匀性的特点，可以长时间稳定地工作而不会发生任何退化的技术效果。作而不会发生任何退化的技术效果。作而不会发生任何退化的技术效果。

【技术实现步骤摘要】
忆阻器及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及微电子的
，尤其是涉及一种忆阻器及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]近年来，阻变随机存储器(RRAM)是新兴存储器技术中最有希望的候选者之一，它具有阻变响应速度快、每单位能量消耗扩展性高、耐久性以及稳定性高的优点，引起了硅微电子学行业的广泛关注；此外，“金属/固体电解质/金属”这种简单的双端子结构也被用于3D可堆叠的高密度数据存储架构中。以上的诸多特点使得RRAM在众多领域中表现出潜在的应用价值，例如内存中的计算、数据存储以及内存逻辑单元。
[0003]目前，TiO
x
、WO
x
、NiO、CuO、Ta2O5以及ZrO等的金属氧化物材料已经作为固体电解质而被广泛应用于阻变存储器的研究之中。对于这些器件，阻变(RS)依赖于氧化还原过程和离子迁移过程在固体电解质内引起电子限域导电丝或功能界面的横向均匀性，但是仍然存在着许多有待于解决的问题，例如高温过程、高功耗、可靠性问题以及稳定性问题。因此，为使RRAM在高级电子系统中得以出色的应用，仍然需要进一步优化材料和器件的结构。
[0004]二氧化硅(SiO2)主要作为栅介质材料和线路工艺后端(BEOL)的钝化层，在RRAM中的应用也有所研究。SiO2材料具有高的晶片级均匀性，而且与传统CMOS技术的3D结构也表现出较佳的一致性。氧空位的移动或电流
‑
电压(I
‑
V)特性的缺陷会引起强烈的滞后现象；而基于金属氧化物的RRAM会存在可靠性的相关问题，主要在于耐久性和稳定性。人们已经探索了各种策略来提高器件的阻变性能。此外，随着时间的推移，二氧化硅会在环境湿度的影响下表现出退化现象，而会损害基于二氧化硅的RRAM器件的开关行为。
[0005]目前，有许多关于基于SiO2的RRAM器件的阻变机理的解释，而在众多的解释当中，由于具有低工作电压和高开比的缘故，活性金属电极例如铜所形成的高导电细丝(CFs)机制被深入研究。活性电极的活性原子在电场作用下表现出的导电细丝的形成/溶解是丝状RRAM器件产生阻变行为的关键因素。然而，聚集的金属原子的浓度很大地影响了这种器件的阻变性能，高导电细丝会诱发不同的阻变行为，而这种多变性影响了RRAM器件的可靠性和均匀性，例如由活性金属原子所形成的低浓度导电细丝可以引起阈值开关行为而非阻变行为。因此，为了获得可靠的阻变行为，必须调整活性金属原子的浓度，使纳米尺度的导电细丝通过电介质层实现可控的生长。
[0006]由于RRAM与传统的CMOS制造流程相兼容，因此其备受关注。然而为了满足工业标准，这种类型器件的稳定性和可靠性仍是一个巨大的挑战，例如在长期的反复开关操作之后，器件极易发生故障，难以保持高的耐受性、稳定性和均一性。
[0007]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的之一在于提供一种忆阻器，具有优异的耐久性能、出色的开关性能以及较佳的稳定性能。
[0009]本专利技术的目的之二在于提供一种忆阻器的制备方法，工艺简单、高效且稳定。
[0010]本专利技术的目的之三在于一种忆阻器在数据存储、内存计算以及神经形态技术中的应用。
[0011]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0012]第一方面，本专利技术提供了一种忆阻器，包括依次排列的底电极、电介质层、阻变层以及顶电极；
[0013]所述电介质层为非晶二氧化硅；
[0014]所述阻变层为铜掺杂钛酸锶。
[0015]进一步的，所述底电极包括Si。
[0016]进一步的，所述底电极的厚度为100nm。
[0017]进一步的，所述电介质层的厚度为70nm。
[0018]进一步的，所述阻变层的厚度为70nm。
[0019]进一步的，所述顶电极为导电金属、导电金属合金或导电金属化合物；
[0020]进一步优选的，所述导电金属包括铜。
[0021]进一步的，所述顶电极的厚度为50nm。
[0022]第二方面，本专利技术提供了一种忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
[0023]在底电极上依次沉积生长电介质层、阻变层以及顶电极，得到所述忆阻器；
[0024]所述电介质层为非晶二氧化硅；
[0025]所述阻变层为铜掺杂钛酸锶。
[0026]进一步的，所述制备方法包括以下步骤：
[0027]在底电极上，利用射频磁控溅射首先沉积非晶二氧化硅，再采用共溅射技术在非晶二氧化硅上沉积铜掺杂钛酸锶，之后利用直流溅射在铜掺杂钛酸锶上沉积顶电极，得到所述忆阻器。
[0028]第三方面，本专利技术提供了一种忆阻器在数据存储、内存计算以及神经形态技术中的应用。
[0029]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：
[0030]本专利技术提供的忆阻器，包括依次排列的底电极、电介质层、阻变层以及顶电极；其中的电介质层为非晶二氧化硅(SiO2)，阻变层为铜掺杂钛酸锶(CSTO)。本专利技术以非晶二氧化硅(SiO2)作为电介质层，该电介质层与硅衬底非常相符，而且具有高温稳定性；本专利技术在顶电极与二氧化硅薄膜(SiO2)之间引入铜掺杂钛酸锶(CSTO)，能够确保铜原子浓度从而实现导电细丝的生成，通过调整CSTO层中的铜原子数量去优化二氧化硅层中铜导电细丝的形成/断裂，进而实现阻变行为的产生；同时，与直接在二氧化硅薄膜上沉积铜电极相比，本专利技术CSTO/SiO2结构的忆阻器能够展现出更为可靠的性能；此外，铜掺杂钛酸锶层可与二氧化硅层形成牢固的多层结构，从而保护二氧化硅层不受周围空气的影响，使得忆阻器能够稳定可靠地工作20天左右而没有任何退化。综上所述，本专利技术CSTO/SiO2结构的忆阻器不仅可以提升SiO2的可靠性，提高耐久性和增强开关性能，还能够有效地调节SiO2层中的铜原子含量。另外，本专利技术的忆阻器能够展现出数字类型的阻变行为和模型类型的阻变行为，展现出兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、短期记忆(STM)到长期记忆(LTM)的转变，以及易化/抑制等突触特性。
[0031]本专利技术提供的忆阻器的制备方法，工艺简单、高效且稳定。
[0032]本专利技术提供的忆阻器在数据存储、内存计算以及神经形态技术中的应用，具有很大的应用潜力。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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。
[0034]图1为本专利技术试验例1提供的忆阻器(Cu/CSTO/SiO2/Si)的结构示意图；
[0035]图2为本专利技术试验例2提供的忆阻器(Cu/CSTO/SiO2/Si)的电流
‑
电压特性图；
[0036]图3为本专利技术试验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种忆阻器，其特征在于，包括依次排列的底电极、电介质层、阻变层以及顶电极；所述电介质层为非晶二氧化硅；所述阻变层为铜掺杂钛酸锶。2.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述底电极包括Si。3.根据权利要求2所述的忆阻器，其特征在于，所述底电极的厚度为100nm。4.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述电介质层的厚度为70nm。5.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述阻变层的厚度为70nm。6.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述顶电极为导电金属、导电金属合金或导电金属化合物；优选地，所述导电金属包括铜。7.根据权利要求6所述的忆阻器，其特征在于，所述顶电极的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兆华，庄腾飞，林鼎，
申请(专利权)人：汇春科技成都有限公司，
类型：发明
国别省市：