[发明专利]一种免电铸的氧化铪基扩散型忆阻器

说明书

本发明公开了一种免电铸的氧化铪基扩散型忆阻器。因目前扩散型忆阻器大都需要一个大的电铸电压激活其阈值转变行为，但电铸会造成较多的金属阳离子迁移到阻变层，这增加器件参数的散布性，并会大幅降低器件的耐受性，电铸也影响扩散型忆阻器在大型电路中的应用。故本发明采用内嵌银纳米岛结合一定的厚度的氧化铪介质层，使得扩散型器件免除电铸的需求，器件的耐受性能得到了大幅提高，并降低了器件的阈值电压，这有利于降低扩散型忆阻器实际使用过程中电路的能耗，本发明有助于促进扩散型忆阻器的应用。

技术领域

本发明涉及电子信息材料与器件，特别涉及一种氧化铪基扩散型忆阻器，属于信息材料与器件应用领域。

背景技术

随着当今数字经济的发展，数据呈海量增长，因此提出了对数据处理更高的需求，包括更高速度及更低能耗。传统冯诺依曼架构的计算系统在当今数据处理中已遇到瓶颈。以忆阻器为基本器件可构成的高密度大型交叉阵列或神经网络，有望实现非冯诺依曼的存内计算及神经形态计算。然而，在实际构建大型的交叉阵列时，在编程和读取中通常会产生自相邻单元的潜行路径电流(也称为漏电流)的现象，这影响忆阻器的阻态的正确读写。解决潜行路径电流方法之一是将一个选择器与忆阻器串联，因此，性能合适的选择器是目前研究热点之一，而氧化铪基扩散型忆阻器是一种有潜力的选择器器件。

近年来，在以Ag或Cu为电极与特定的无机固体电介质如氧化铪等化合物结合，当电场作用在器件上时，Ag或者Cu发生氧化反应生成相应的金属阳离子，在电压作用下扩散到介质层中，与遇到的电子结合发生还原反应，当电压达到一定值时，在介质层形成Ag或Cu的导电丝通道，使器件上下电极连通，器件从高阻态变成低阻态，即发生了阈值开关现象，这时候施加的电压也称为阈值电压；而在电压去除或降低到一定值时，导电丝会由于表面能最小化趋势而自发溶解断裂，器件又变回高阻态。这种器件是由Ag或Cu离子在介质层中的扩散来实现其工作原理的，所以被称为扩散型忆阻器。扩散型忆阻器结构简单、具有大的开关比、低的漏电流、与CMOS工艺兼容以及可高密度堆叠，有巨大的应用潜力。扩散型忆阻器可作为选择器与非易失性忆阻器构成1S1R组合器件，也可以用以模拟神经元功能。利用扩散型忆阻器高的开关比和低的高阻态电流，有望解决交叉阵列的漏电流问题，当用扩散型忆阻器与其他辅助器件结合模拟神经元功能时，在外电压作用下，可以产生宽度和幅度不同的脉冲信号，用于神经形态网络电路如脉冲神经网络电路中。

但是，目前扩散型忆阻器大都需要一个大的电铸电压激活其阈值转变行为，电铸会造成较多的金属阳离子迁移到阻变层，这增加器件参数的散布性，并可大幅降低器件的耐受性，电铸过程也影响扩散型忆阻器在大型电路中的应用。目前避免扩散型忆阻器电铸的方法有：（1）快速热处理使原子或离子在高温下发生扩散，帮助形成导电丝路径；（2）降低介质层厚度，即减小导电丝路径长度；（3）通过掺杂或内嵌纳米结构帮助形成导电丝通道。

快速热处理的热处理温度与气氛必须与忆阻器的热处理条件相匹配，这使得热处理的适用范围受限；降低介质层厚度会降低高电阻的阻值，造成漏电流提高；内嵌纳米岛方法简单、适合批量生产及成本低，是免除扩散型忆阻器电铸好的方法。

扩散型忆阻器应用前景广阔，但电铸使器件电学性能参数散布性增大，耐受性降低，是限制扩散型忆阻器的应用的重要影响因素。因此制备无需电铸的扩散型忆阻器是必要的。本专利是通过在扩散型忆阻器结构中插入内嵌纳米岛结构，免除器件电铸过程，提高器件的耐受性，制备出无需电铸，高耐受性的器件。