一种基于量子电导效应的忆阻器及其制备调制方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种基于量子电导效应的忆阻器及其制备调制方法及应用，忆阻器包括上电极、功能层和下电极，为MIM的crossbar结构；通过调控氩气和氧气的比例，制得具有不同厚度和氧空位的功能层材料；在调制中采用电压扫描或脉冲扫描的方法精确调控功能层的导电丝形态，将导电丝的尺寸控制到原子级，得到单位电导值整数倍的不连续电导行为，实现忆阻器电导量子化；通过提取出忆阻器的各量子态，把不同的量子态对应的阻值作为器件存储的不同阻态，实现多值存储；并可应用忆阻器模拟神经元突触的功能；该忆阻器以整数倍变化的电导克服了电导态的离散变化导致的阻值漂移对器件应用的影响，实现了工作电流更小，存储密度更大，读取速度更快，掉电不丢失的量子存储器件。

Memristor based on quantum conductance effect, preparation and modulation method thereof and application thereof

The invention discloses a quantum conductance effect of memristor and its preparation method and application of modulation based on memristor includes an upper electrode, the functional layer and the lower electrode structure is crossbar MIM; through the regulation of argon and oxygen ratio, prepared with different thickness and the oxygen vacancy function layer conductive material; the wire shape function layer by using the method of precise control of voltage scanning or pulse scanning in the modulation, will control the conductive wire size to the atomic level, get the discontinuous conductance behavior unit conductance value integer times, realize memristor conductance quantization; by extracting the quantum state of the memristor, as different resistance states the storage devices of different quantum states corresponding to the resistance of multi value storage; and can simulate the synaptic applications of memristor function; the memristor conductance changes to integer times to overcome the conductance state from The influence of the resistance drift caused by the scatter change on the device is realized. A quantum memory device with smaller operating current, larger storage density, faster read speed, and no power loss is achieved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子电导效应的忆阻器及其制备调制方法及应用
本专利技术属于微电子器件
，更具体地，涉及一种基于量子电导效应的忆阻器及其制备调制方法及应用。
技术介绍
现阶段通过忆阻器实现多值存储的方法主要有：在调制中改变SET过程中的限制电流或改变RESET过程中的截止电压；对于改变SET过程中的限制电流的方法而言，是在I/V电压扫描或者脉冲扫描模式下，通过在加SET电压时限制器件通过的最大电流，控制器件停留的阻值，实现多值存储；对于改变RESET过程中的截止电压而言，是在I/V电压扫描或者脉冲扫描模式下，通过调节负向脉冲的幅值，限制导电丝的断裂程度，控制器件的高阻态。上述实现多值存储的方案的缺点在于，额外的限制条件增加了其与传统CMOS工艺兼容的难度，复杂的外围电路增加了整个系统的功耗，降低了芯片的集成度，更为重要的是，这些方案所实现的多值，其阻值易漂移、不易控制，进而导致存储不稳定。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于量子电导效应的忆阻器及其制备调制方法及应用，其目的在于实现忆阻器的电导整数倍或半整数倍变化以克服电导态的离散变化导致的阻值漂移。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于量子电导效应的忆阻器，由呈阵列形式的多个器件单元构成；各器件单元包括上电极、功能层和下电极；功能层夹于上、下电极之间形成三明治结构，功能层与上、下电极共同形成crossbar结构；上电极采用惰性电极或活性电极，下电极采用惰性电极，活性电极采用Ag或Cu，惰性电极采用Pt或Ti；功能层采用HfOx材料；其中，1.6<x&lt;2.4；通过控制功能层材料氧空位的数量来控制功能层的单原子导电丝的形成。优选的，上述基于量子电导效应的忆阻器，忆阻器的线宽不超过1um，其线宽极小更有利于实现量子电导；为易于量子电导的实现，功能层的厚度为15nm～25nm。为实现本专利技术目的，按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于量子电导效应的忆阻器的制备方法，包括下电极制备、功能层制备和上电极制备；具体地，通过光刻、溅射、剥离制得下电极，在下电极上通过光刻、溅射、剥离制得功能层，在功能层上通过光刻、溅射、剥离制得上电极；通过上述的三次光刻、三次溅射和三次剥离形成crossbar阵列；该忆阻器的制备方法的关键在于通过控制Ar与O2的比例、溅射气压来控制所制得的功能层材料的厚度和氧空位。优选地，上述基于量子电导效应的忆阻器的制备方法，包括制备下电极、制备功能层和制备上电极三个阶段，具体如下：(1)制备下电极；(1.1)光刻：在长有薄SiO2绝缘层的Si衬底上通过光刻工艺制备出一个或多个长条形下电极图形；其中，光刻工艺包括：匀胶、前烘、前曝、后烘、后曝、显影、镀膜、剥离的步骤；(1.2)溅射：利用磁控溅射的方法制备下电极；(1.3)剥离：采用丙酮浸泡步骤(1.2)制备得到的样品，并进行超声清洗，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，并干燥；(2)制备功能层；(2.1)光刻：通过光刻工艺在长条形下电极上制备光刻图形，光刻图形完全覆盖下电极；(2.2)溅射：在Ar与O2的气氛环境下，利用溅射的方法在光刻图形上制备功能层图形；功能层图形的面积不小于功能层图形与下电极相交部的面积；气氛环境中Ar与O2的体积比为：39：8～27：20；溅射的工艺条件为：溅射气压为0.3Pa～1.5Pa、本底真空5*10-3Pa；(2.3)剥离：采用丙酮浸泡步骤(2.2)制备得到的样品，并进行超声清洗，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，并干燥；功能层材料为实现电导量子化的关键材料，本专利技术通过控制Ar与O2的比例、溅射气压来控制所制得的功能层材料的厚度、氧空位；通过控制Ar与O2的比例，使得制备的功能层中HfOx的氧含量为1.6<x<2.4；在1.6<x<2的缺氧状态下，可产生氧空位以降低高阻态和低阻态，易于导电丝的形成；在2<x<2.4的富氧状态下，忆阻器可实现更多的中间阻态、易于实现多值存储；将溅射气压控制在0.3Pa～1.5Pa，一方面保证了薄膜的沉积速率，另一方面影响HfOx的晶相结构；(3)制备上电极；(3.1)光刻：采用光刻工艺，在步骤(2)所获得的样品上制备出一个或多个长条形上电极图形，使得上电极图形完全覆盖功能层图形并与下电极图形垂直；(3.2)溅射：利用磁控溅射的方法在长条形上电极图形上制备上电极；(3.3)剥离：采用丙酮浸泡步骤(3.2)制备得到的样品，并进行超声清洗，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，并干燥；获得三层crossbar阵列结构的忆阻器；上、下电极交叉，功能层夹在上、下电极的交叉处，功能层的图形的面积不小于上、下电极的重叠部分，使得上、下电极之间无接触。为实现本专利技术目的，按照本专利技术的另一方面，提供了对上述基于量子电导效应的忆阻器的调制方法，包括如下步骤：(a)对呈m*n阵列结构的基于量子电导效应的忆阻器，对其第a(a<m)行、第b(b<n)列的忆阻器单元进行预形成导电通道处理；特别地，对该忆阻器单元进行正向I/V电压扫描，使该忆阻器单元呈低阻态；(b)对该忆阻器单元进行多次双向I/V电压扫描，直至该忆阻器单元出现稳定的SET、RESET电压值，使该忆阻器单元呈高阻态；(c)对该忆阻器单元进行正向量子电导调控；可采用I/V电压扫描或脉冲扫描；采用I/V电压扫描的方法具体为，以步骤(b)正向I/V电压扫描中阻值12.9kΩ对应的电压为起始电压、以阻值1.29kΩ对应的电压为停止电压，调节保持时间和步进大小，对该忆阻器单元进行扫描；采用脉冲扫描的方法具体为，以步骤(b)正向I/V电压扫描中阻值12.9kΩ对应的电压为起始电压、以阻值1.29kΩ对应的电压为停止电压，调节脉冲宽度、脉冲步进和时间间隔，对该忆阻器单元进行扫描；(d)对该忆阻器单元进行负向量子电导调控，可采用I/V电压扫描或脉冲扫描；采用I/V电压扫描的方法具体为，以步骤(b)负向I/V电压扫描中阻值1.29kΩ对应的电压为起始电压，以阻值12.9kΩ对应的电压为停止电压，调节保持时间和步进大小，对该忆阻器单元进行扫描；采用脉冲扫描的方法具体为，以步骤(b)负向I/V电压扫描中阻值1.29kΩ对应的电压为起始电压、以阻值12.9kΩ对应的电压为停止电压，调节脉冲宽度、脉冲步进和时间间隔，对该忆阻器单元进行扫描。优选地，步骤(a)中，正向I/V电压扫描所采用的扫描电压2V～8V，低阻态为1.29kΩ。优选地，步骤(b)中，I/V电压扫描次数不超过10次，高阻态为12.9kΩ。优选地，步骤(c)中，I/V电压扫描模式下，步进大小为1mV～50mV，各步电压的保持时间为0ms～500ms；通过调节步进大小，更好的匹配了HfOx不同x所反映的氧空位多少，而氧空位的数量决定了相邻氧空位之间的距离，从而精细调控电导输运所需的能量。而调节各步电压的保持时间，可更好地控制单次能量输入之间的热聚集，减小热量对量子电导的影响。脉冲扫描模式下，脉冲宽度为20ns～500us，脉冲调节步长为0mV～100mV，步长调节的时间间隔为1ms～2s；通过调节脉冲宽度与脉冲调节步长，更好的匹配HfOx不同x所反映的氧空位多少，而氧空位的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于量子电导效应的忆阻器，其特征在于，所述忆阻器由呈阵列形式的多个器件单元构成；各所述器件单元包括上电极、功能层和下电极；所述功能层夹于上、下电极之间形成三明治结构，功能层与上、下电极共同形成crossbar结构；所述上电极采用惰性电极或活性电极、下电极采用惰性电极；所述活性电极采用Ag或Cu，惰性电极采用Pt或Ti；所述功能层采用HfO

【技术特征摘要】
1.一种基于量子电导效应的忆阻器，其特征在于，所述忆阻器由呈阵列形式的多个器件单元构成；各所述器件单元包括上电极、功能层和下电极；所述功能层夹于上、下电极之间形成三明治结构，功能层与上、下电极共同形成crossbar结构；所述上电极采用惰性电极或活性电极、下电极采用惰性电极；所述活性电极采用Ag或Cu，惰性电极采用Pt或Ti；所述功能层采用HfOx材料，厚度为15nm～25nm；其中，1.6<x<2.4；通过功能层材料的氧空位来控制功能层的单原子导电丝的形成。2.一种如权利要求1所述的忆阻器的制备方法，包括下电极制备、功能层制备和上电极制备，其特征在于，在功能层制备中，通过控制Ar与O2的比例、溅射气压来控制所制得的功能层材料的厚度和氧空位。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述功能层制备过程具体如下：光刻：通过光刻工艺在下电极上制备光刻图形，所述光刻图形完全覆盖下电极；溅射：在Ar与O2的气氛环境下，利用溅射的方法在所述光刻图形上制备功能层图形；所述功能层图形的面积不小于功能层图形与下电极相交部的面积；气氛环境中Ar与O2的体积比为39：8～27：20，溅射气压为0.3Pa～1.5Pa，本底真空为5*10-3Pa；剥离：采用丙酮浸泡溅射步骤所制备得到的样品，并进行超声清洗，再依次用无水乙醇和去离子水清洗、并干燥。4.一种如权利要求1所述的忆阻器的调制方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)对呈m*n阵列结构的基于量子电导效应的忆阻器，对其第a行、第b列的忆阻器单元进行预形成导电通道处理；其中，a<m，b<n；(b)对所述忆阻器单元进行多次双向I/V电压扫描，直至所述忆阻器单元出现稳定的SET、RESET电压值，使所述忆阻器单元呈高阻态；(c)采用I/V电压扫描方法或脉冲扫描的方法对所述忆阻器单元进行正向量子电导调控；(d)采用I/V电压扫描方法或脉冲扫描的方法对所述忆阻器单元进行负向量子电导调控。5.如权利4所述的忆阻器的调制方法，其特征在于，采用I/V电压扫描的方法对所述忆阻器单元进行正向量子电导调控与负向量子电导调控；所述正向量子电导调控的方法为：以步骤(b)正向I/V电压扫描中阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙华军，何维凡，钟姝婧，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42