[發明專利]一種基于HfO2?x的二值和多值憶阻器、制備方法及其應用

在審

• 申請號: 201710421114.7
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN107293642A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 孫華軍;何維凡;王標;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: 廖盈春,曹葆青

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HfO_2-x的二值和多值憶阻器、制備方法及其應用。

背景技術

不同的應用領域的憶阻器有著不同的性能要求，邏輯計算追求高的速度和大的窗口而神經形態計算則需要多值潛能和低的功耗，這些不同的應用對憶阻器提出了二值和多值的需求?，F階段，針對不同的應用領域的憶阻器主要分為:通過不同的材料和工藝，實現的尖銳電阻過渡的二值憶阻器和漸變電阻過渡的多值憶阻器；通過對性能和工藝的折衷選擇，滿足大多數應用的需求，實現的通用型憶阻器；對于某些低電壓應用環境，實現的無須預形成和低操作電壓憶阻器。

上述針對不用應用領域的憶阻器的實現方法的有著不可避免的缺點。首先，隨著計算存儲融合芯片的發展，不同的材料和工藝不利于在同一芯片上不同類型憶阻器的集成；其次，通用型憶阻器難以滿足某些應用的極端需求，其必然是普適性能的折衷，無法滿足專用型芯片的苛刻要求；最后，無須預形成和低操作電壓往往會犧牲憶阻器其他的性能指標，使其功能性下降。

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HfO_2-x的二值和多值憶阻器、制備方法及其應用，其目的在于調節憶阻器的功能層材料的原生氧空位，以控制導電細絲的形成過程和電阻過渡形態。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于HfO_2-x的二值和多值憶阻器，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；

功能層采用HfO_2-x材料；其中，1.6<2-x<2；當1.6<2-x<1.8時，該功能層對應的憶阻器為多值憶阻器；當1.8<2-x<2時，該功能層對應的憶阻器為二值憶阻器；調節憶阻器的功能層材料的原生氧空位，以控制導電細絲的形成過程和電阻過渡形態實現二值和多值模式。

優選的，上電極采用惰性電極Pt，下電極采用惰性電極Ti。

優選的，上述二值和多值憶阻器，憶阻器的線寬不超過10um，功能層的厚度為19.5nm。

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HfO_2-x的二值和多值憶阻器的制備方法，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原生氧空位。

優選地，上述基于HfO_2-x的二值和多值憶阻器的制備方法，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分的面積；

氣氛環境中Ar與O₂的體積比為：(39：8～31：16)；

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；

功能層材料為實現定制憶阻器的關鍵材料，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、原生氧空位；