[发明专利]一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器及其制备方法

说明书

本申请公开了一种易失与非易失电阻转变行为可调控的忆阻器及其制备方法，包括：下电极、功能层和上电极，下电极位于衬底表面，上电极位于器件最上层，功能层夹在上电极和下电极之间形成三明治结构。功能层由离子迁移率不同的第一功能层和第二功能层构成，第一功能层与下电极接触，第二功能层在第一功能层上方，与上电极接触。本申请提供的技术方案通过改变功能层厚度实现器件易失和非易失电阻转变行为的可调控，并且通过利用改变器件结构，而不改变器件材料组成，从而能够在构建全忆阻神经网络时使用同一工艺，降低了制备工艺的难度及复杂程度，同时能够与现有CMOS工艺兼容，有利于在工业上大规模实现。

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体的，涉及一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器及其制备方法。

背景技术

阻变存储器是一种较为成熟的忆阻器件，其利用器件功能层中导电性质的变化改变器件的阻值，从而达到高低不同的阻态。现有阻变存储器基本为非易失性，利用其存储信息不会改变的特性，可以用于逻辑计算，或者用于大规模存储。另一方面，其独特的电学特性使得其同时也适合于用于突触器件。同时，也存在一些易失性的阻变存储器，也具有一定的应用前景，不仅可以利用其阻态不易保持的特点作为TS(Threshold switch，阈值开关)用于集成电路，也可以将其用于神经网络中神经元电路的构成。而同时利用易失器件与非易失器件的特性，可以构建全忆阻的神经网络。

目前已有较多文献研究器件的易失和非易失电阻转变行为的转变。文献《Volatile and Non-Volatile Switching in Cu-SiO₂Programmable MetallizationCells》中，当器件为SiO₂掺杂Cu作为功能层时，器件将呈现易失性具有TS的特性；当器件为不进行掺杂的SiO₂作为功能层时，器件呈现非易失性具有MS(Memoristive Switch，忆阻开关)的特性。虽然这种器件可以通过掺杂与不掺杂改变其易失与非易失性，但掺杂的方式较为复杂，涉及退火等操作，在构建全忆阻的神经网络时，掺杂与不掺杂两种不同的工艺将增加制备难度及复杂度。部分其它文献中，通过改变器件的限制电流改变器件的易失和非易失电阻转变行为，在低限流下，器件导电丝不稳定将呈现易失性，而高限流下，器件导电丝稳定呈现非易失性。这种方式操作上较为简单，但很难实现不同器件达到不同限流，误操作可能大，不易于在阵列器件中大规模的操作，因此无法在工业上大规模实现。现有技术还有采用石墨烯阻挡层的方式，但与现有CMOS工艺不兼容。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种易失和非易失电阻转变行为可调控的忆阻器及其制备方法，其目的在于，通过改变器件结构，而不改变器件材料组成，能够在构建全忆阻神经网络时使用同一工艺，不会添加工艺难度及复杂度，并且调控操作简单，与现有CMOS工艺兼容，有利于在工业上大规模实现。

本发明利用CBRAM(Conductive bridge RAM，导电桥式随机存取存储器)原理，功能层由两种离子迁移率不同的第一功能层和第二功能层构成，上电极的金属离子通过高离子迁移率的第一功能层迁移到低离子迁移率的第二功能层，最后到达下电极。当外加电压时，活性金属离子在高离子迁移率的材料中的扩散速率较快，大量的金属离子在下端被还原成金属粒子，构成形态为上窄下宽梯形结构的导电丝；而在低离子迁移率材料中，活性金属离子的迁移速率较慢，大量的金属离子在接近上侧位置被还原，只有少量的金属离子能够到达下电极，因此还原后的金属粒子构成的导电丝形态为上宽下窄的梯形结构。当低离子迁移速率材料厚度加厚时，能够到达下电极的金属离子较少，导电丝的稳定性较差，当失去外加电压时，金属粒子将形成分离的金属粒子团簇，同时变为高组态。因此可以利用这种方式，采用第一功能层和第二功能层的双层结构，使得活性金属离子通过高离子迁移率材料，形成较为稳定的导电丝，以增强器件的稳定性，同时通过改变低离子迁移率材料的厚度，调控器件导电丝的稳定性，以分别得到具有易失与非易失特性的器件。