【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子，具体涉及一种基于氮化物的3d集成忆阻器及其制备方法。
技术介绍
1、随着大数据、人工智能等概念以新兴高算力应用的形式在生活中广泛出现，传统的存储器件由于与处理器在物理上分离，存在算力饱和与能耗增加的风险，即冯·诺依曼瓶颈，使计算能效很低。目前工业生产广泛采用的flash存储器基于浮栅晶体管，在高密度集成过程中面临微缩和能耗问题。神经网络作为高算力高能效的关键技术解决方案，相关研究在近年兴起。作为其核心单元结构，研究人员尝试全面研究新兴的低耗器件——
2、忆阻器。忆阻器作为“第四种无源元件”、“有望进入商用的新型存储器”和“实现神经形态计算和类脑应用的可行方案”，自实现以来持续被全世界科学家团队重点关注并展开广泛研究，具有集成度高、数据规模大等显著优势。
3、氮化铝、氮化硅、氮化硼等氮化物作为高介电常数材料，具有多种有潜力应用于忆阻器功能层的特殊性质：高k介质的性质使得氮化物基忆阻器的高阻态电流低，可在低电压下有效操作；氮离子为-3价，比氧受到更强的电场作用，有潜力实现高速操作；氮化物基忆阻器具有较小的复位(reset)电流和较低的电铸(forming)电压，这是实现较高可靠性的有力条件；导电通路的氮溶解度有限，可实现忆阻器更细的导电丝，有潜力应用于更小尺寸的忆阻器。
4、然而，忆阻器通常通过阵列结构实现，在编程和读操作时，通过行译码和列译码选中一条字线和一条位线，从中选中交叉点的忆阻器单元，但是阵列的忆阻单元之间存在严重的干扰，从而造成读出错误。因此，如何实现忆阻单元的整
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于提供一种基于氮化物的3d集成忆阻器及其制备方法，以解决上述问题。
2、为实现前述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、本专利技术实施例提供了一种基于氮化物的3d集成忆阻器，其包括：沿选定方向依次层叠设置的p型衬底、氮化物功能层和顶部电极，所述氮化物功能层的导电类型为n型，所述氮化物功能层包括沿所述选定方向依次层叠设置在所述p型衬底上的第一部分和第二部分，所述第一部分与所述p型衬底形成pn异质结构，所述第二部分与所述顶部电极形成阻变功能结构。所述p型衬底的材质包括硅、锗、氮化镓、碳化硅中的至少一者，厚度为380～450um；优选的，所述p型衬底的电阻率为0.001～0.01欧姆·厘米。采用等离子体增强原子层沉积方法或者磁控溅射方法或者金属有机化学气相沉积法或者等离子体增强化学气相沉积方法在p型衬底上沉积氮化物薄膜作为氮化物功能层。所述氮化物功能层的材质包括氮化铝、氮化镓、氮化硅、氮化硼中的任意一者或两者以上的组合；所述氮化物功能层的厚度为10～40nm。采用电子束蒸发方法或者磁控溅射方法或者脉冲激光束沉积方法在氮化物功能层上沉积顶部电极。所述顶部电极的材质包括钛(ti)、氮化钛(tin)、铂(pt)、铝(al)、钨(w)、氧化铟锡(ito)中的任意一者或两者以上的组合；所述顶部电极的厚度为10～50nm。
4、当向所述3d集成忆阻器施加正向扫描电压时，所述pn异质结构处于导通状态，所述阻变功能结构进入低阻态(lrs)；当向所述3d集成忆阻器持续施加正向扫描电压时，所述阻变功能结构进入高阻态(hrs)；当向所述3d集成忆阻器施加负偏压时，pn异质结构处于截止状态，电压无法传递至所述阻变功能结构。
5、在对该3d集成忆阻器施加正向扫描电压时，即在p型衬底底部施加正电压，在氮化物功能层顶部施加逐渐增大的负电压，氮化物功能层中的电子和p型衬底中的空穴将会向pn异质结构的中央区域扩散而形成耗尽区，从而减小电势垒的高度。当电势垒的高度降低到一定程度时，电子和空穴就可以穿过p型衬底和氮化物功能层的pn异质结构界面，从而形成电流，且电流呈现出线性增加的趋势。所述正向扫描电压形成的电场进一步作用在由氮化物功能层形成的阻变层，使氮化物功能层中的氮离子在电场作用下迁移，氮空位逐渐累积形成导电细丝(cf)，此时，阻变功能结构进入低阻态(lrs)。同时，在耗尽区也会形成与外加电场方向相反的内置电场，该内置电场将会抑制氮离子的迁移，外加电场与内置电场两者所产生的效应相互抵消，导电细丝难以在耗尽区形成，即导电细丝并没有穿过整个氮化物功能层的阻变层，仅形成于耗尽区的外侧，即耗尽区靠近氮化物功能层的一侧，因此，导电细丝的形成不会破坏耗尽区的微观结构和界面质量，具有稳定的整流功能。3d集成忆阻器结构中的低阻态可看作局域化导电细丝(cf)与pn异质结构串联。当对器件继续施加正向扫描电压时，局域化导电细丝(cf)在电场作用下累积产生焦耳热，将逐渐变细甚至断裂，此时，阻变功能结构进入高阻态(hrs)。当对该3d集成忆阻器施加负偏压时，即在p型衬底侧施加负电压，在氮化物功能层一侧施加正电压时，电子和空穴将会被所述负偏压形成的电势差吸引而远离pn异质结构的中央区域，从而增加电势垒的高度。此时，电子和空穴将不能穿过pn异质结构，从而形成的电流极小，pn异质结构的电阻将变得很大，pn异质结构将呈现出非线性的电阻特性，反向饱和电流不变，电压无法传递至阻变功能结构，实现整流功能，从而避免3d集成忆阻器的忆阻单元之间发生串扰。
6、较之现有技术，本专利技术实施例提供的一种3d集成忆阻器及其制备方法，至少具有如
7、下有益效果：
8、1)本专利技术提出的一种氮化物基3d集成忆阻器，首次采用氮化物材料，并与pn异质结构实现3d集成，能够有效避免忆阻单元之间的串扰问题。
9、2)该氮化物基3d集成忆阻器为单一堆叠结构，并与pn异质结构实现3d集成能够在较小的电压激励下实现开启，灵敏度高、稳定性好。
10、3)该氮化物基3d集成忆阻器制备工艺简单，易集成，成本低，可与cmos工艺兼容，非常适合工业化生产。
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1.一种基于氮化物的3D集成忆阻器，其特征在于，包括：沿选定方向依次层叠设置的p型衬底(1)、氮化物功能层(2)和顶部电极(3)，所述氮化物功能层的导电类型为n型，所述氮化物功能层(2)包括沿所述选定方向依次层叠设置在所述p型衬底(1)上的第一部分和第二部分，所述第一部分与所述p型衬底(1)构成pn异质结构，所述第二部分与所述顶部电极(3)构成阻变功能结构。
2.一种避免3D集成忆阻器的忆阻单元之间发生串扰的方法，其特征在于，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在所述p型衬底(1)底部施加正电压，在所述氮化物功能层(2)顶部施加逐渐增大的负电压，使所述氮化物功能层(2)中的电子和所述p型衬底(1)中的空穴向所述pn异质结构的中央区域扩散而形成耗尽区，进而形成线性增加的电流，即所述pn异质结构处于导通状态；和/或，通过所述正向扫描电压使所述氮化物功能层(2)中的氮离子发生迁移，氮空位逐渐累积形成导电细丝(CF)，进而使所述阻变功能结构进入低阻态(LRS)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：继续在所述p型衬底(1)底部施加正
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在所述p型衬底(1)底部施加负电压，在所述氮化物功能层(2)顶部施加正电压，使所述氮化物功能层(2)中的电子和所述p型衬底(1)中的空穴向远离所述pn异质结构的中央区域扩散而无法形成电流，即所述pn异质结构处于截止状态，从而使所述负偏压无法传递至所述阻变功能结构，实现所述3D集成忆阻器的整流功能。
6.根据权利要求1所述的基于氮化物的3D集成忆阻器，其特征在于：采用等离子体增强原子层沉积方法或者磁控溅射方法或者金属有机化学气相沉积方法或者等离子体增强化学气相沉积方法在p型衬底(1)上沉积氮化物薄膜作为氮化物功能层(2)。
7.根据权利要求1所述的基于氮化物的3D集成忆阻器，其特征在于：所述氮化物功能层(2)的材质包括氮化铝、氮化镓、氮化硅、氮化硼中的任意一者或两者以上的组合；和/或，所述氮化物功能层(2)的厚度为10～40nm。
8.根据权利要求1所述的基于氮化物的3D集成忆阻器，其特征在于：所述p型衬底(1)的材质包括硅、锗、氮化镓、碳化硅中的至少一者；
9.根据权利要求1所述的基于氮化物的3D集成忆阻器，其特征在于：所述顶部电极(3)的材质包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、铂(Pt)、铝(Al)、钨(W)、氧化铟锡(ITO)中的任意一者或两者以上的组合；
...【技术特征摘要】
1.一种基于氮化物的3d集成忆阻器，其特征在于，包括：沿选定方向依次层叠设置的p型衬底(1)、氮化物功能层(2)和顶部电极(3)，所述氮化物功能层的导电类型为n型，所述氮化物功能层(2)包括沿所述选定方向依次层叠设置在所述p型衬底(1)上的第一部分和第二部分，所述第一部分与所述p型衬底(1)构成pn异质结构，所述第二部分与所述顶部电极(3)构成阻变功能结构。
2.一种避免3d集成忆阻器的忆阻单元之间发生串扰的方法，其特征在于，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在所述p型衬底(1)底部施加正电压，在所述氮化物功能层(2)顶部施加逐渐增大的负电压，使所述氮化物功能层(2)中的电子和所述p型衬底(1)中的空穴向所述pn异质结构的中央区域扩散而形成耗尽区，进而形成线性增加的电流，即所述pn异质结构处于导通状态；和/或，通过所述正向扫描电压使所述氮化物功能层(2)中的氮离子发生迁移，氮空位逐渐累积形成导电细丝(cf)，进而使所述阻变功能结构进入低阻态(lrs)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：继续在所述p型衬底(1)底部施加正电压，在所述氮化物功能层(2)顶部施加逐渐增大的负电压，使所述导电细丝(cf)断裂，进而使所述阻变功能结构进入高阻态(hrs)。
5.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨赢，杨亚霖，何庆，杨晓琴，肖安康，朱鹏，顾泓，
申请(专利权)人：材料科学姑苏实验室，
类型：发明
国别省市：
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