一种高一致性免串扰HfAlO制造技术

本发明专利技术涉及高一致性免串扰HfAlO

【技术实现步骤摘要】
一种高一致性免串扰HfAlO
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/TiO
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多层膜神经元阵列及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种神经形态器件，尤其是一种高一致性HfAlO
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/TiO
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多层膜神经元器件阵列，同时还涉及其制备方法，属于阻变存储器


技术介绍

[0002]随着大数据和人工智能时代的到来，世界产生的数据总量呈现爆发式增长，基于传统冯
·
诺伊曼架构的存算系统已经无法高效存储和处理海量数据，向人脑学习构建具有存算一体和并行处理能力的人工神经形态网络是当前信息产业界急需解决的重要课题。阻变存储器作为一种新型非易失性存储器件，具有结构简单、易于集成、电导可调制等优点，与生物学上的神经突触具有极高的相似性，因此被认为是模拟神经突触进而构建神经网络最具竞争力的有效电子器件。阻变存储器存储单元特征尺寸小，为构建高密度神经形态器件提供了重要的硬件基础。目前限制神经形态器件进一步发展的一个主要问题是：阻变存储器阵列的阻变参数具有较大的波动性，同时在阻变存储器阵列单元之间存在电流的串扰等问题，从而影响人工形态器件的性能，通过合理选择阻变存储器材料以及优化结构可以改善神经形态器件的一致性，并进一步减小串扰电流，对于推动类脑芯片的集成具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于：提出一种高一致性免串扰HfAlO
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多层膜神经形态器件，同时还给出其制备方法，从而满足类脑芯片对神经形态器件的需求。同时给出其制备方法，该方法应当与当前微电子工艺相兼容，从而可以切实应用于未来的类脑芯片器件中。
[0004]为了达到以上目的，本专利技术的技术方案为：高一致性免串扰HfAlO
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多层膜神经形态器件，包括表面覆盖氧化层的硅衬底材料，其特征在于：还包括附着在所述衬底材料上的Pt下电极，以及附着在下电极上的镶嵌铝接触点的氮化硅层，在该氮化硅层上附着了HfAlO
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多层膜阻变层，最后是附着在阻变层上的Ti上电极；所述阻变多层膜由HfAlO
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子层叠加；所述阻变多层膜由至少二层HfAlO
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子层，且具有不同氧组分的HfAlO
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薄膜和具有不同氧组分的TiO
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薄膜构成。
[0005]本专利技术的HfAlO
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/TiO
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多层膜神经形态器件中，氧空位阻变通道大小在纵向上受到多层结构中各个子层厚度的限制，尺寸大小可控，同时阵列单元中氧空位通道通过镶嵌在氮化硅中的铝接触点与下电极连接，阵列单元之间可以通过氮化硅来进行隔离，避免了相互串扰，在电场作用下，有利于沿电场方向氧空位通道的连通和断开，从而实现电阻的变化。
[0006]与现有基于阻变存储器的神经形态器件相比较，本专利技术HfAlO
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多层膜神经形态器件的优点在于HfAlO
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子层中的氧空位数量较少，TiO
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中的氧空位较多，通过该结构的设计可以获得渐变的氧空位通道，TiO
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中较粗的氧空位通道可以实现空间位置的固定，在TiO
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中较粗氧空位通道的引导作用下，使得HfAlO
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中较细通道的断开位置也实现了定域化，从而获得高一致性的阻变特性，解决了神经形态器件的稳定性问题。另一方面利用多周期结构中超薄HfAlO
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子层和TiO
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子层的变化，可以实现阻变通道的渐变分布，为神经形态器件的电导渐变调控提供了新的思路。
[0007]本专利技术HfAlO
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/TiO
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多层膜神经形态器件阵列的制备方法包括以下步骤：
[0008]第一步、构筑铂金属下电极
[0009]1.1对单晶硅进行热氧化，氧化硅层的厚度为300纳米，获得表面覆盖氧化硅层的基底；
[0010]1.2在氧化硅表面涂光刻胶，采用工字型阵列分布的模板在光刻胶表面曝光和显影，获得图形化的光刻胶；
[0011]1.3以光刻胶为掩膜结合ICP刻蚀，在SiO2表面形成深度为100纳米的沟槽，然后采用电子束蒸发的方法在样品表面淀积铂金属作为下电极，铂金属的厚度为100纳米；
[0012]1.4将生长好后的样品放入丙酮中，使用超声仪清除光刻胶和光刻胶上残余的金属，获得工字形铂金属阵列电极。
[0013]第二步、构筑镶嵌在氮化硅层中铝接触点；
[0014]2.1将表面覆盖条形铂电极阵列的氧化硅基底放入PECVD系统，通入硅烷和氨气的混合气体，沉积制备a
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SiN
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：H薄膜，硅烷和氨气的流量比范围是1/8，薄膜厚度为100纳米；
[0015]2.2在氮化硅表面涂光刻胶，采用圆形阵列分布的模板在光刻胶表面曝光和显影，获得表面分布图形孔洞的光刻胶；
[0016]2.3把覆盖圆形孔洞的光刻胶样品放入电子束蒸发台，沉积100纳米厚的铝膜，把光刻胶去掉，留下孔洞中的铝接触点。
[0017]第三步、构筑HfAlO
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/TiO
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多层膜；
[0018]3.1将表面覆盖铝接触点的样品放入原子层沉积系统，交替通入Hf[N(C2H5)CH3]4+C3H9Al和H2O作为HfAlO
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薄膜生长反应的前驱体，Ti[N(CH3)2]4)和H2O作为TiO
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的前驱体，HfAlO
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子层的厚度为2纳米，TiO
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子层的厚度为0.5
‑
1.75纳米；
[0019]3.2重复3
‑
1，交替通入HfAlO
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子层和TiO
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子层对应的前驱体，制备多层HfAlO
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/TiO
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多层膜
[0020]第四步、构筑铝金属上电极
[0021]4.1在制备好的样品上甩一层光刻胶，曝光显影之后，做出上电极的图形，用来淀积金属上电极；
[0022]4.2采用电子束蒸发的方法在覆盖有图形化光刻胶的表面淀积钛金属作为上电极，电极厚度为50nm；
[0023]4.3生长好后的样品放入丙酮中，使用超声波震荡去除光刻胶和光刻胶上的金属，获得钛电极，其方向垂直于底电极。
[0024]以上a
‑
SiN
x
：H薄膜中
[0025]a——表示非晶态(英文amorphous的第一个字母)；x和y——表示薄膜中元素的原子浓度之比，通常为1；H——表示氢离子
[0026]本专利技术高一致性免串扰HfAlO
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明涉及高一致性免串扰HfAlO
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多层膜神经元阵列，属于非挥发性性存储器技术领域。该存储器采用表面氧化的单晶硅作为衬底，其特征在于：包括附着在表面氧化的单晶硅衬底上的工字型下电极，以及下电极直条上方被氮化硅隔离的铝接触点，及附着在铝接触点上方的HfAlO
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阻变多层膜，及附着在阻变层上表面的工字型电极。2.根据权利要求1所述的高一致性免串扰HfAlO
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多层膜神经元阵列，其特征在于：所述高一致性免串扰HfAlO
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/TiO
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多层膜神经元阵列是采用原子层沉积技术交替生长制备，其中HfAlO
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子层的厚度为2纳米，TiO
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的厚度为0.5
‑
1.75纳米，周期数为4
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7。3.根据权利要求1所述的高一致性免串扰HfAlO
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多层膜神经元阵列，下电极上方被氮化硅隔离的铝接触点，其特征在于：铝接触点的直径为3微米，铝接触点阵列之间的距离为10微米，氮化硅的厚度为100纳米。4.根据权利要求1所述的高一致性免串扰HfAlO
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多层膜神经元阵列，其特征在于所述的工字型下电极和上电极的方块PAD的尺寸为100微米。5.根据权利要求1所述的高一致性免串扰HfAlO
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/TiO
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多层膜神经元阵列制备方法，其特征在于包括以下步骤：第一步、构筑铂金属下电极1.1对单晶硅进行热氧化，氧化硅层的厚度为300纳米，获得表面覆盖氧化硅层的基底；1.2在氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：马忠元，胡宏升，陈通，杨洋，李伟，陈坤基，徐骏，徐岭，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：