本发明专利技术公开了一种免电铸的氧化铪基扩散型忆阻器。因目前扩散型忆阻器大都需要一个大的电铸电压激活其阈值转变行为，但电铸会造成较多的金属阳离子迁移到阻变层，这增加器件参数的散布性，并会大幅降低器件的耐受性，电铸也影响扩散型忆阻器在大型电路中的应用。故本发明专利技术采用内嵌银纳米岛结合一定的厚度的氧化铪介质层，使得扩散型器件免除电铸的需求，器件的耐受性能得到了大幅提高，并降低了器件的阈值电压，这有利于降低扩散型忆阻器实际使用过程中电路的能耗，本发明专利技术有助于促进扩散型忆阻器的应用。阻器的应用。阻器的应用。
【技术实现步骤摘要】
一种免电铸的氧化铪基扩散型忆阻器
[0001]本专利技术涉及电子信息材料与器件，特别涉及一种氧化铪基扩散型忆阻器，属于信息材料与器件应用领域。
技术介绍
[0002]随着当今数字经济的发展，数据呈海量增长，因此提出了对数据处理更高的需求，包括更高速度及更低能耗。传统冯诺依曼架构的计算系统在当今数据处理中已遇到瓶颈。以忆阻器为基本器件可构成的高密度大型交叉阵列或神经网络，有望实现非冯诺依曼的存内计算及神经形态计算。然而，在实际构建大型的交叉阵列时，在编程和读取中通常会产生自相邻单元的潜行路径电流(也称为漏电流)的现象，这影响忆阻器的阻态的正确读写。解决潜行路径电流方法之一是将一个选择器与忆阻器串联，因此，性能合适的选择器是目前研究热点之一，而氧化铪基扩散型忆阻器是一种有潜力的选择器器件。
[0003]近年来，在以Ag或Cu为电极与特定的无机固体电介质如氧化铪等化合物结合，当电场作用在器件上时，Ag或者Cu发生氧化反应生成相应的金属阳离子，在电压作用下扩散到介质层中，与遇到的电子结合发生还原反应，当电压达到一定值时，在介质层形成Ag或Cu的导电丝通道，使器件上下电极连通，器件从高阻态变成低阻态，即发生了阈值开关现象，这时候施加的电压也称为阈值电压；而在电压去除或降低到一定值时，导电丝会由于表面能最小化趋势而自发溶解断裂，器件又变回高阻态。这种器件是由Ag或Cu离子在介质层中的扩散来实现其工作原理的，所以被称为扩散型忆阻器。扩散型忆阻器结构简单、具有大的开关比、低的漏电流、与CMOS工艺兼容以及可高密度堆叠，有巨大的应用潜力。扩散型忆阻器可作为选择器与非易失性忆阻器构成1S1R组合器件，也可以用以模拟神经元功能。利用扩散型忆阻器高的开关比和低的高阻态电流，有望解决交叉阵列的漏电流问题，当用扩散型忆阻器与其他辅助器件结合模拟神经元功能时，在外电压作用下，可以产生宽度和幅度不同的脉冲信号，用于神经形态网络电路如脉冲神经网络电路中。
[0004]但是，目前扩散型忆阻器大都需要一个大的电铸电压激活其阈值转变行为，电铸会造成较多的金属阳离子迁移到阻变层，这增加器件参数的散布性，并可大幅降低器件的耐受性，电铸过程也影响扩散型忆阻器在大型电路中的应用。目前避免扩散型忆阻器电铸的方法有：（1）快速热处理使原子或离子在高温下发生扩散，帮助形成导电丝路径；（2）降低介质层厚度，即减小导电丝路径长度；（3）通过掺杂或内嵌纳米结构帮助形成导电丝通道。
[0005]快速热处理的热处理温度与气氛必须与忆阻器的热处理条件相匹配，这使得热处理的适用范围受限；降低介质层厚度会降低高电阻的阻值，造成漏电流提高；内嵌纳米岛方法简单、适合批量生产及成本低，是免除扩散型忆阻器电铸好的方法。
[0006]扩散型忆阻器应用前景广阔，但电铸使器件电学性能参数散布性增大，耐受性降低，是限制扩散型忆阻器的应用的重要影响因素。因此制备无需电铸的扩散型忆阻器是必要的。本专利是通过在扩散型忆阻器结构中插入内嵌纳米岛结构，免除器件电铸过程，提高器件的耐受性，制备出无需电铸，高耐受性的器件。
[0007]本专利选择了氧化铪作为阈值开关的介质层，银为活性电极。由于银离子在氧化铪层中更容易沿着氧空位扩散，所以要控制氧化铪介质层中的氧空位，避免过多的银扩散到介质层降低器件的耐受性。因此我们采用等离子体增强原子层沉积（PEALD）工艺用于制备氧空位少HfO2介质层薄膜。采用等离子体增强原子层沉积制备含氧空位少的氧化铪构成的阈值开关器件具有漏电流低，开关响应速度快的性能。氧化铪介质层的厚度对器件的影响很大，过薄的氧化铪介质层使器件的高电阻低，漏电流大而影响其应用，过厚的氧化铪介质层会需要更高的工作电压，而且使得电铸不可避免。本专利技术通过选择内嵌银纳米岛，及一定厚度的氧化铪介质层，使得器件免除电铸的需求，器件的耐受性能得到了大幅提高，并降低了器件的阈值电压，这有利于降低扩散型忆阻器实际使用过程中电路的能耗，有助于使器件更好地应用于选择器及模拟神经元，本专利技术可加速促进扩散型忆阻器的应用。
技术实现思路
[0008]本专利技术的目的提供一种制备免电铸的氧化铪基扩散型忆阻器并提高其耐受性的方法。
[0009]具体步骤为：
[0010]（1）以晶向为<100>的2英寸单晶硅晶圆为衬底。采用等离子体化学气相沉积(PECVD)设备在硅衬底表面生长一层约300 nm厚的SiO2层，然后选用AZ2035的光刻负胶，通过旋涂法在SiO2/Si衬底表面涂覆厚度约为3 μm的光刻胶，旋涂转速为4000 rpm，时间30 s，之后在105 ℃烘胶90 s，采用精度为3 μm 的ABM紫外光刻机结合掩膜版曝光，曝光时间为6 s，在SiO2/Si衬底上形成底电极的图案。底电极采用直流磁控溅射沉积方法来制备，先选择Ti靶，溅射功率调为150 W，溅射时间设置为1230 s，腔室通入流量为16.8 sccm的Ar，在SiO2/Si衬底沉积100 nm厚的Ti层，之后换Au靶，溅射功率选择50 W，溅射时间设置为400 s，在Ti/SiO2/Si衬底沉积100 nm厚的Au，沉积完成后将晶圆放入相应的显影液中浸泡进行显影操作，制备出Au/Ti/SiO2/Si；
[0011]（2）选择规格为孔直径为40 nm，孔中心间距为100 nm，膜厚度为200 nm超薄阳极氧化铝模板(AAO)置于上述衬底上，采用电子束蒸发法沉积2 nm厚的Ag，完成后使用高温胶带移除AAO，制成Ag纳米岛阵列（Ag NIs），纳米岛直径45 nm，纳米岛高度1.5
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3.5 nm，纳米岛间距103 nm，得到Ag NIs/Au/Ti/SiO2/Si；
[0012]（3）采用等离子体增强原子层沉积方法，前驱体为四甲乙基氨基铪，氧源为氧等离子体，生长温度为280 ℃，沉积过程中四甲乙基氨基铪每通入100 毫秒，氮气吹扫35秒；氧等离子体每通入3000 毫秒，氮气吹扫50 秒。在Ag NIs/Au/Ti/SiO2/Si衬底上生长一层2.8
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4.3 nm的氧化铪层，得到HfO2/Ag NIs/Au/Ti/SiO2/Si；
[0013]（4）经过多次清洗。用氧等离子体轰击表面进行表面的亲水处理，使其表面更好地与光刻胶贴合。采用与底电极相同方案制备顶电极，即选用AZ2035的光刻负胶，通过旋涂法在HfO2/Ag NIs/Au/Ti/SiO2/Si衬底表面涂覆厚度约为3 μm的光刻胶，旋涂转速为4000 rpm，时间30 s，之后在105 ℃烘胶90 s，采用精度为3 μm 的ABM紫外光刻机曝光，曝光时间为6 s，在HfO2/Ag NIs/Au/Ti/SiO2/Si衬底上形成顶电极的图案。用电子束蒸发沉积2 nm厚的 Ag和磁控溅射100 nm厚的Au作为顶电极，最后在显影液中浸泡去除光刻胶。制得Au/Ag/HfO2/Ag NIs/Au器件。
[0014]采用Keithley 4200
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SCS半导体参数仪测试器件I
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种免电铸的氧化铪基扩散型忆阻器，其特征在于，该忆阻器的具体制备步骤为：（1）以晶向为<100>的2英寸单晶硅晶圆为衬底，采用等离子体化学气相沉积(PECVD)设备在硅衬底表面生长一层约300 nm厚的SiO2层，然后选用AZ2035的光刻负胶，通过旋涂法在SiO2/Si衬底表面涂覆厚度约为3 μm的光刻胶，旋涂转速为4000 rpm，时间30 s，之后在温度105 ℃烘胶90 s；采用紫外光刻机结合掩膜版曝光，曝光时间为6 s，在SiO2/Si衬底上形成底电极的图案；底电极采用直流磁控溅射沉积方法来制备，靶材为Ti靶，溅射功率为150 W，溅射时间为1230 s，腔室通入流量为16.8 sccm的Ar，在SiO2/Si衬底沉积100 nm厚的Ti层，之后换Au靶，溅射功率为50 W，溅射时间为400 s，在Ti/SiO2/Si衬底沉积100 nm厚的Au，沉积完成后将晶圆放入相应的显影液中浸泡进行显影操作，制备出Au/Ti/SiO2/Si；（2）选择规格孔直径为40 nm，孔中心间距为100 nm，膜厚度为200 nm的超薄阳极氧化铝模板（AAO）置于上述衬底上，采用电子束蒸发法沉积2 nm厚的Ag，完成后使用高温胶带移除AAO，制成Ag纳米岛阵列（Ag NIs），纳米岛直径45 nm，纳米岛高度1.5
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3.5 nm，纳米岛间距103 nm，得到Ag NIs/...
【专利技术属性】
技术研发人员：张宝林，龙范林，张一川，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：
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