[發明專利]一種基于量子電導效應的憶阻器及其制備調制方法及應用

在審

• 申請號: 201611102484.6
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106654007A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 孫華軍;何維凡;鐘姝婧;繆向水
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 趙偉

技術領域

本發明屬于微電子器件技術領域，更具體地，涉及一種基于量子電導效應的憶阻器及其制備調制方法及應用。

背景技術

現階段通過憶阻器實現多值存儲的方法主要有：在調制中改變SET過程中的限制電流或改變RESET過程中的截止電壓；對于改變SET過程中的限制電流的方法而言，是在I/V電壓掃描或者脈沖掃描模式下，通過在加SET電壓時限制器件通過的最大電流，控制器件停留的阻值，實現多值存儲；對于改變RESET過程中的截止電壓而言，是在I/V電壓掃描或者脈沖掃描模式下，通過調節負向脈沖的幅值，限制導電絲的斷裂程度，控制器件的高阻態。

上述實現多值存儲的方案的缺點在于，額外的限制條件增加了其與傳統CMOS工藝兼容的難度，復雜的外圍電路增加了整個系統的功耗，降低了芯片的集成度，更為重要的是，這些方案所實現的多值，其阻值易漂移、不易控制，進而導致存儲不穩定。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于量子電導效應的憶阻器及其制備調制方法及應用，其目的在于實現憶阻器的電導整數倍或半整數倍變化以克服電導態的離散變化導致的阻值漂移。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于量子電導效應的憶阻器，由呈陣列形式的多個器件單元構成；各器件單元包括上電極、功能層和下電極；功能層夾于上、下電極之間形成三明治結構，功能層與上、下電極共同形成crossbar結構；

上電極采用惰性電極或活性電極，下電極采用惰性電極，活性電極采用Ag或Cu，惰性電極采用Pt或Ti；

功能層采用HfO_x材料；其中，1.6<x<2.4；通過控制功能層材料氧空位的數量來控制功能層的單原子導電絲的形成。

優選的，上述基于量子電導效應的憶阻器，憶阻器的線寬不超過1um，其線寬極小更有利于實現量子電導；為易于量子電導的實現，功能層的厚度為15nm～25nm。

為實現本發明目的，按照本發明的另一方面，提供了一種基于量子電導效應的憶阻器的制備方法，包括下電極制備、功能層制備和上電極制備；具體地，通過光刻、濺射、剝離制得下電極，在下電極上通過光刻、濺射、剝離制得功能層，在功能層上通過光刻、濺射、剝離制得上電極；通過上述的三次光刻、三次濺射和三次剝離形成crossbar陣列；該憶阻器的制備方法的關鍵在于通過控制Ar與O₂的比例、濺射氣壓來控制所制得的功能層材料的厚度和氧空位。

優選地，上述基于量子電導效應的憶阻器的制備方法，包括制備下電極、制備功能層和制備上電極三個階段，具體如下：

(1)制備下電極；

(1.1)光刻：在長有薄SiO₂絕緣層的Si襯底上通過光刻工藝制備出一個或多個長條形下電極圖形；

其中，光刻工藝包括：勻膠、前烘、前曝、后烘、后曝、顯影、鍍膜、剝離的步驟；

(1.2)濺射：利用磁控濺射的方法制備下電極；

(1.3)剝離：采用丙酮浸泡步驟(1.2)制備得到的樣品，并進行超聲清洗，再依次用無水乙醇和去離子水清洗，并干燥；

(2)制備功能層；

(2.1)光刻：通過光刻工藝在長條形下電極上制備光刻圖形，光刻圖形完全覆蓋下電極；

(2.2)濺射：在Ar與O₂的氣氛環境下，利用濺射的方法在光刻圖形上制備功能層圖形；功能層圖形的面積不小于功能層圖形與下電極相交部的面積；

氣氛環境中Ar與O₂的體積比為：39：8～27：20；

濺射的工藝條件為：濺射氣壓為0.3Pa～1.5Pa、本底真空5*10^-3Pa；

(2.3)剝離：采用丙酮浸泡步驟(2.2)制備得到的樣品，并進行超聲清洗，再依次用無水乙醇和去離子水清洗，并干燥；

功能層材料為實現電導量子化的關鍵材料，本發明通過控制Ar與O₂的比例、濺射氣壓來控制所制得的功能層材料的厚度、氧空位；

通過控制Ar與O₂的比例，使得制備的功能層中HfO_x的氧含量為1.6<x<2.4；在1.6<x<2的缺氧狀態下，可產生氧空位以降低高阻態和低阻態，易于導電絲的形成；在2<x<2.4的富氧狀態下，憶阻器可實現更多的中間阻態、易于實現多值存儲；