一种实现导电细丝通道定型定位的忆阻器

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种实现导电细丝通道定型定位的忆阻器，通过多层功能层结构的调控，可实现导电细丝通道定型定位。

背景技术

忆阻器由上、下电极和功能层的“三明治”结构组成，介质功能层作为离子传输和存储的介质，功能层的选取不同会引入不同的阻变机制，进而有着不同的应用。通过外部的电压或电流激励，引起功能层离子运动和结构变化，进而引起器件阻值发生变化，进一步的通过电阻差异来存储数据。

忆阻器作为新型非易失存储器的有利候选者之一，始终还是没有在实际的产业化发展中得到广泛的应用，究其根本还是其阻变机制存在的随机性与差异性。导电丝的形成严重受到薄膜本身非均一性的影响，在通常的导电丝型忆阻器的结构中，导电丝的尺寸以及形成位置的随机性造成了器件性能的随机性，随机生成的导电丝同时伴随氧空位或活性金属离子的迁移的随机性与不可控，会造成导电丝的过生长导致器件难以Reset从而失效。因此，对于忆阻器性能的提高本质上需要对导电丝形成的位置、数量、演进等进行控制。

北京科易达知识产权服务有限公司(一种高一致性忆阻器及其制备方法，CN110165050A)公开了一种高一致性忆阻器及其制备方法，它的原理是在电极与阻变材料之间插入了一层活性金属纳米插层，调控金属导电丝的形成位置从而提高器件性能，但该方法使得这种忆阻器在一致性(高阻波动范围在10

因此，研究一种既拥有简单的制备工艺，又可以实现导电细丝通路定型定位的忆阻器制备方法才能提高器件的整体性能。

本发明发明人在前研究得到了《基于金属氧化物氧浓度梯度的高性能忆阻器件及其制备》(可参见中国专利文献CN108807668A)，其中公开的一种基于金属氧化物氧浓度梯度的忆阻器，功能层为金属氧化物，且沿由下电极指向上电极的方向该功能层中的氧含量呈递增或递减变化，虽然能够形成锥形导电通道，氧含量高的导电通道锥顶具有易通断的特性，可实现低压操作下的高速阻变，但由于锥形导电通道的锥形尖端靠近电极界面，若要实现导电通道的断裂，需要克服电极和功能层之间的势垒，而且存在一致性差(高阻波动范围很大)，窗口范围较小(约100)。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种实现导电细丝通道定型定位的忆阻器，其中通过对忆阻器件功能层的细节结构及组成进行改进，得到的忆阻器可实现对导电细丝通路形貌的定型和导电细丝通路通断位置的定位，与现有的忆阻结构相比，有利于实现低功耗、高一致性，多阻态的忆阻性能，能够有效解决现有技术中忆阻器件导电丝的尺寸以及形成位置的随机性等问题。并且，本发明采用同质金属氧化物材料进行堆叠形成阻变功能层保证了简单的制备工艺。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种实现导电细丝通道定型定位的忆阻器，其特征在于，该忆阻器的器件单元自上而下包括上电极、功能层和下电极，所述功能层基于同一种金属氧化物忆阻材料，该功能层中的氧含量呈梯度变化，沿由所述下电极指向所述上电极的方向该功能层中的氧含量呈先增加、再减小的变化趋势，由于氧空位浓度的最小值出现在所述功能层的中部，从而能够使该忆阻器中的导电细丝通道的断裂位置定位在所述功能层的中部。

作为本发明的进一步优选，所述功能层由至少3层子功能层构成，每层子功能层中的氧含量保持固定，每层子功能层的厚度为1～20nm。

作为本发明的进一步优选，所述子功能层的总层数为奇数，记所述子功能层的总层数为(2n+1)，n为整数且n≥1，则，沿由所述下电极指向所述上电极的方向，第1层子功能层至第(n+1)层子功能层的氧含量依次递增，第(n+1)层子功能层至第(2n+1)层子功能层的氧含量依次递减；优选的，相邻两层子功能层的N(O)/N(M)比值之差的绝对值为0.1～1；

其中，M代表金属元素，N(M)代表某层子功能层中金属元素的物质的量，N(O)代表同一层子功能层中氧元素的物质的量。

作为本发明的进一步优选，所述子功能层的总层数为奇数，记所述子功能层的总层数为(2n+1)，n为整数且n≥1，则，沿由所述下电极指向所述上电极的方向，第1层子功能层至第(n+1)层子功能层的厚度依次递减，第(n+1)层子功能层至第(2n+1)层子功能层的厚度依次递增；相邻两层子功能层的厚度之差的绝对值为0～10nm。

作为本发明的进一步优选，所述功能层由3～10层子功能层构成。

作为本发明的进一步优选，所述金属氧化物忆阻材料为HfO

作为本发明的进一步优选，所述上电极所采用的材料为Pt、TiN、TaN、TiW或Au；所述下电极所采用的材料为Ti、Pt、TiN、TaN、TiW、Hf、Ta或Al。

作为本发明的进一步优选，所述功能层的总厚度为5nm～500nm。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明通过构建氧空位浓度分布呈“沙漏”状的功能层(这是由于在本发明器件中，沿下电极指向上电极的方向，氧元素化学配比呈现先增大后减小的趋势；对应的，氧空位浓度的分布将呈先减少、后增多的趋势)，相应的导电细丝也会形成类似于“沙漏”状的形状，在通断中不会改变、实现定型，并且，由于本发明能够将导电细丝的通断控制在功能层的中部位置，从而实现导电细丝通路的定型和定位。本发明通过特定的氧化物含氧量分布的功能层的设计，能够实现氧空位浓度分布呈“沙漏”状，从而在施加电压后，氧空位导电细丝通道的形状也呈“沙漏”状分布，中间位置氧空位数最少，此处电阻率高且分压大，同时氧空位浓度最低处热导率最小，意味着会有大量的焦耳热产生并驱动氧空位横向扩散，同时在电场驱动氧空位纵向迁移的双重作用下，导电丝的断裂发生在氧空位数最少的地方，即可以控制导电细丝只在中间位置通断，从而提高忆阻器的性能。

本发明之所以能够实现忆阻器导电细丝通道定型定位，是由于功能层由同质金属氧化物忆阻材料构成，沿下电极指向所述上电极的方向，氧浓度的变化是从少到多再到少，从而实现氧空位浓度分布呈“沙漏”状。相较于锥形导电通道的锥形尖端靠近电极界面的现有技术忆阻器，该类现有技术的忆阻器，若要实现导电通道的断裂，需要克服电极和功能层之间的势垒；而本发明器件中，导电通道的断裂是在相同的功能材料之间，不存在克服势垒，而且将断裂控制在功能层中间位置，提高了器件在高低阻值的一致性，窗口值方面都有很大的提升(窗口值>100)。

其次，本发明忆阻器的功能层使用同质材料，制备工艺简单，同时又可以避免不同材料之间界面适配的问题，在成本，工艺复杂度等方面有着巨大优势。

具体来说，本发明能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过构建氧空位浓度分布呈“沙漏”状的功能层，中间位置氧空位数最少，此处电阻率高且分压大，同时氧空位浓度最低处热导率最小，在电场和焦耳热的驱动下，可以将导电细丝的通断控制在中间薄弱位置，从而实现导电细丝通路的定型和定位；子功能层的总层数优选为奇数，这样可以使氧空位浓度最小值位置位于正中间的那一层子功能层，进一步提升器件性能；

(2)本发明通过构建氧空位浓度分布呈“沙漏”状的功能层，导电细丝通路的通断决定器件的高低阻态，在施加电压时，导电细丝通路的通断只在中间位置产生，减小了通断位置的随机性，有利于提高了器件的窗口值，一致性，降低了功耗；

(3)本发明是单一离子通路，电极不参与导电细丝的形成，仅依赖功能层中氧浓度的调控来形成导电细丝通路，有利于分析；

(4)另外，本发明功能层为同质结构，在制备的过程中不需要其他的材料的加入，只需要改变溅射氛围和氧气含量，保证了制备环境的一致性，减小了工艺的复杂程度，避免了制备时其他离子的污染，在成本，工艺复杂度等方面有着巨大优势。

(5)对于本器件结构形成的“沙漏型”氧空位导电细丝通路，考虑到氧空位较多的层相对于氧空位较小的层的预导通电压以及操作电压要小，为了进一步确保氧空位导电细丝通路在中间氧空位浓度最少的部分断裂，氧空位较多的层的厚度可优选设计为大于氧空位较少的层的厚度，这样更有利于“沙漏”型的生成。同时，相邻两层子功能层的N(O)/N(M)比值之差越大，即氧空位浓度差越大，越有利于“沙漏”型的生成，考虑到在实际制备中，可以有更大的误差允许，本发明中优选将相邻两层子功能层的N(O)/N(M)比值之差的绝对值控制为不低于0.1。

综上，基于本发明得到的忆阻器件，可以实现对氧空位导电细丝的定型和定位，从而根本上改善器件的性能，提高一致性，窗口值，降低功耗，工艺复杂度和成本，为器件在实际的产业化发展中得到广泛的应用打下基础。

附图说明

图1是本发明实施例1、2所提供的实现导电细丝通道定型定位的忆阻器单元的剖面示意图。

图2是本发明实施例1所提供的实现导电细丝通道定型定位的忆阻器单元的忆阻特性曲线。

图3是本发明实例1所提供的实现导电细丝通道定型定位的忆阻器单元的阻变机理示意图。

图4是利用磁控溅射工艺沉积HfO

图5是本发明实施例2所提供的实现导电细丝通道定型定位的忆阻器单元的忆阻特性曲线。

图6是对本发明实施例2所制备的忆阻器器件在20ns的脉冲刺激下多阻值特性图。

图1中各附图标记的含义如下：1为上电极Pt，2为5层结构的HfO

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总的来说，本发明中实现导电细丝通道定型定位的忆阻器，具有多层结构的功能层、且是基于同质金属氧化物忆阻材料，该多层结构的功能层按照氧浓度从少到多再到少的方式堆叠。以功能层为5层结构为例，如图1所示，氧浓度分布A层C层>D层。

实施例1：一种实现导电细丝通道定型定位的忆阻器及其制备

本发明通过使用同质金属氧化物层，实现类似于“沙漏”状的氧空位导电细丝通路，在电场和焦耳热的控制下，将导电细丝通断位置控制在功能层中部(尤其是功能层的中间)，从而实现导电细丝通道的定型和定位，以下结合附图进行具体说明。

图1为本发明实施例提供的实现导电细丝通道定型定位的忆阻器的结构示意图，具体的，该忆阻器器件结构包括电极层和多层结构的功能层，功能层夹在两个电极之间。功能层由同质金属氧化物忆阻材料构成，沿下电极指向所述上电极的方向，氧元素化学配比呈现先增大后减小的趋势。

功能层由同质金属氧化物忆阻材料构成，材料为HfO

也就是说，本实施例中，实现导电细丝通道定型定位的HfO

由于构建氧空位浓度分布呈“沙漏”状的功能层，中间层的氧空位数最少，此处电阻率高且分压大，同时氧空位浓度最低处热导率最小，因此在电场和焦耳热的驱动下，导电细丝将在中间薄弱位置通断，从而实现导电细丝通路的定型和定位，并实现器件阻值的变化。

以下具体来阐述实施例HfO

制备下电极：

在长有绝缘层SiO

制备功能层：

功能层可利用磁控溅射工艺来制备，在利用磁控溅射工艺制备HfO

在本实施例中，利用磁控溅射的方法制备功能层，共五层，每层20nm，总厚度为100nm，A、D层中O/Hf比为1.71，Ar与O

制备上电极：

光刻：采用光刻工艺，光刻出方形的上电极图形，如图1所示；

溅射：在光刻图形上利用磁控溅射的方法制备Pt上电极，厚度为100nm；其溅射的工艺条件为：本底真空5*10

剥离：将所得到的样品浸泡到丙酮中，振荡至图形完全清晰，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，即可获得所需结构的忆阻器件。

图2是对实施例1所制备的忆阻器器件的直流扫描循环特性图，器件高阻稳定在33k，低阻稳定在218Ω，窗口值约为105，有利于器件的模拟特性，经过多次的直流循环后器件的仍可正常操作，说明器件具有较好的一致性和循环特性。

图3是对实施例1所制备的忆阻器器件的机理模型图，利用xps测试结果可以预判所制备的器件，在施加set电压后，氧空位导电细丝形成“沙漏”状的通路，测试结果表明所制备的器件，确实在忆阻器的性能上有很大提升，器件在一致性，窗口值，稳定性等方面都有提升。

实施例2：一种实现导电细丝通道定型定位的忆阻器及其制备

本发明通过使用同质金属氧化物层，实现类似于“沙漏”状的氧空位导电细丝通路，在电场和焦耳热的控制下，将导电细丝通断位置控制在功能层中部(尤其是功能层的中间)，从而实现导电细丝通道的定型和定位，以下结合附图进行具体说明。

图1为本发明实施例提供的实现导电细丝通道定型定位的忆阻器的结构示意图，具体的，该忆阻器器件结构包括电极层和多层结构的功能层，功能层夹在两个电极之间。功能层由同质金属氧化物忆阻材料构成，沿下电极指向所述上电极的方向，氧元素化学配比呈现先增大后减小的趋势。

功能层由同质金属氧化物忆阻材料构成，材料为HfO

也就是说，本实施例中，实现导电细丝通道定型定位的HfO

由于构建氧空位浓度分布呈“沙漏”状的功能层，中间层的氧空位数最少，此处电阻率高且分压大，同时氧空位浓度最低处热导率最小，因此在电场和焦耳热的驱动下，导电细丝将在中间薄弱位置通断，从而实现导电细丝通路的定型和定位，并实现器件阻值的变化。

以下具体来阐述实施例HfO

制备下电极：

在长有绝缘层SiO

制备功能层：

利用磁控溅射的方法制备功能层，共五层，每层厚度依次为15nm、10nm、5nm、10nm、15nm，总厚度为55nm，A和D层中O/Hf比为1.53，Ar与O

制备上电极：

光刻：采用光刻工艺，光刻出方形的上电极图形，如图1所示；

溅射：在光刻图形上利用磁控溅射的方法制备Pt上电极，厚度为100nm；其溅射的工艺条件为：本底真空5*10

剥离：将所得到的样品浸泡到丙酮中，振荡至图形完全清晰，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，即可获得所需结构的忆阻器件。

图5是对实施例2所制备的忆阻器器件的直流扫描循环特性图，器件高阻稳定在1M，低阻稳定在820Ω，窗口值约为1000，有利于器件的模拟特性，经过多次的直流循环后器件的仍可正常操作，说明器件具有较好的一致性和循环特性。

图6为对实施例2所制备的忆阻器器件在20ns的脉冲刺激下多阻值特性图，可以观察到在15k到7k的小阻值范围内，可以实现70个阻态变化，且阻态变化拥有优秀的线性，利于后期神经形态模拟与计算。

上述实施例仅以5层结构的HfO

除了铪的氧化物外，忆阻材料可以是钛的氧化物、铝的氧化物、钽的氧化物、镍的氧化物、锆的氧化物等现有技术已知具有忆阻功能的金属氧化物；相应的，由于需要有氧空位，氧元素的化学配比需小于标准化学式中氧元素的化学配比。以铪的氧化物为例，标准化学式为HfO

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。