[发明专利]一种模拟型HfOx

说明书

本发明属于微电子器件技术领域，公开了一种模拟型HfO_x/HfO_y同质结忆阻器及其调控方法，该同质结忆阻器包括自下而上依次堆叠的下电极层、功能层和上电极层，其中，所述功能层是由HfO_x层与HfO_y层自下而上堆叠形成的HfO_x/HfO_y同质结功能层；对于该HfO_x/HfO_y同质结功能层，1.6x1.8，1.9y2，且所述HfO_x层的厚度大于所述HfO_y层的厚度。本发明通过对关键的器件结构尤其是功能层组成等进行改进，采用堆叠生长高/低氧空位的氧化铪叠层作为阻变功能层，与现有技术相比能够有效解决模拟型忆阻器及基于模拟型忆阻器的电子突触仿生器件阻值渐变窗口小、操作速度慢以及一致性的技术的问题。

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种模拟型 HfO_x/HfO_y同质结忆阻器及其调控方法，该忆阻器能够实现2kΩ～200kΩ阻值范围内的阻值渐变调控，渐变窗口大，能够在神经形态计算中作为电学突触器件应用。

背景技术

忆阻器是由蔡绍棠教授提出的包括电阻、电感、电容在内的连接和q 的第四种基本无源电路元件。由于忆阻器结构简单，功耗低、速度快且具有与CMOS工艺良好的兼容性，其在存储、逻辑运算和神经网络计算等领域有着广泛应用。

根据忆阻器在电信号下呈现的阻值状态与阻变行为的不同，忆阻器又分为数字型忆阻器和模拟型忆阻器。数字型忆阻器的高低阻值的过渡过程趋于突变，具有大窗口、高擦写次数与速度的数字型忆阻器在二值存储中具有潜在的应用价值；模拟型忆阻器在电信号的作用下电导值连续变化，与生物神经突触权重调制行为类似，因此模拟型忆阻器是神经形态计算中的理想电子突触器件。类神经形态计算需要器件具有多阻态变化、大的模拟阻变窗口、高速度、低功耗和优良的一致性，同时，渐变的SET与RESET 过程是保障器件良好模拟特性的基础。因此，一种大窗口、高速度的模拟型忆阻器对于高精度类脑计算的应用意义重大。

对于基于导电丝形成/断裂阻变机制的忆阻器，单原子链导电丝为导电丝通断的临界点，其对应的量子化电导临界值为12.9kΩ。基于此，模拟型忆阻器的调控方法主要分为两种：一种是在电极间有导电丝连接时，通过施加脉冲信号调控导电丝的数量及形貌变化来实现阻值渐变调控，这类方法往往阻值变化范围较低功耗较高，因此模拟阻变窗口往往较小；另一种是在连接上下电极的导电丝在惰性电极端断裂之后，通过施加脉冲信号调控导电残丝同电极的间隙势垒的变化来实现阻值渐变调控，这类方法阻值变化范围一般远高于12.9kΩ，往往需要制备额外的势垒层，工艺比较复杂，并会引入更多的离子类型，势垒层的引入虽然提升了器件的模拟特性，间隙势垒的调控需要较高的操作电压或较慢的操作速度以保证对阻值渐变的精确调控。

在各类氧化物忆阻器中，氧化铪(HfO_x)作为高k绝缘栅介质材料可用于高性能的CMOS MOSFET绝缘栅介质材料，同时缺陷丰富的HfO_x也是一个优越的忆阻材料，较快的擦写速度(～ns)以及稳定的数据保持特性 (10年)使得其成为当前比较热门的忆阻材料之一。目前，基于氧化铪忆阻器的模拟特性在不同结构的忆阻器中得到优化，例如AlO_x/HfO_2,TiN/HfO₂/SiO₂/p⁺-Si,HfO₂/Ta₂O₅等等。