忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片技术

本公开提供了一种忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片；其中，所述忆阻器，包括：下电极层、位于所述下电极层上的功能层、位于所述功能层上的势垒层及位于所述势垒层上的上电极层；其中，所述功能层为阻变层。通过调制所述功能层的电阻值实现所述忆阻器的电阻态的变化，通过改变势垒层中的不稳定细丝的断裂实现反向阈值转变特性。断裂实现反向阈值转变特性。断裂实现反向阈值转变特性。

【技术实现步骤摘要】
忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片


[0001]本公开涉及动力学系统控制
，特别涉及一种忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片。

技术介绍

[0002]神经形态计算是一种高能效、高并行度的计算模式，是人工智能发展的重要推动力。构建神经形态计算芯片的基础是实现电子突触和神经元。忆阻器具有可高密度集成、功耗低、电导可调的特点，是可以实现电子突触功能的新型神经形态器件。忆阻器基神经形态计算芯片具有体积小，功耗低、并行度高的特点，但是目前电子突触和神经元中一般都是两种器件结构形成的，增大了大规模集成的难度，因此没有CMOS工艺集成的忆阻器基神经形态计算芯片问世。

技术实现思路

[0003](一)要解决的技术问题
[0004]鉴于上述问题，本公开的主要目的在于提供一种忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
[0005](二)技术方案
[0006]根据本公开的一个方面，提供了一种忆阻器，包括：下电极层、位于所述下电极层上的功能层、位于所述功能层上的势垒层及位于所述势垒层上的上电极层；其中，所述功能层为阻变层。
[0007]进一步的，还包括位于所述势垒层和所述上电极层之间的插层。
[0008]进一步的，所述下电极层的材质为TiN，采用磁控溅射形成；所述功能层的材质为Ta2O5，采用反应溅射形成；所述势垒层的材质为TaO
x
；所述插层的材质为金属、金属氧化物、非晶硅、非晶C或石墨烯；所述上电极层的材质为Ir、Al，Ru，Pd，TiN，TaN。
[0009]进一步的，所述势垒层TaO
x
的电阻率介于6mΩ/cm～20mΩ/cm2之间。
[0010]进一步的，通过调制所述功能层的电阻值实现所述忆阻器的电阻态的变化，通过在势垒层中形成不稳定细丝及所述不稳定细丝的断裂实现反向阈值转变特性
[0011]根据本公开的另一个方面，提供了一种全忆阻器基的神经形态计算芯片，其包括所述的忆阻器，通过所述忆阻器的阈值转变实现突触的矩阵操作和神经元的脉冲操作。
[0012]根据本公开的又一个方面，提供了一种忆阻器的制备方法，包括：
[0013]在衬底上形成下电极层；
[0014]在所述下电极层上形成功能层；
[0015]在所述功能层上形成势垒层；及
[0016]在所述势垒层上形成上电极层；
[0017]其中，所述功能层为阻变层。
[0018]进一步的，在所述势垒层上形成上电极层之前，还包括：在所述势垒层上形成插
层。
[0019]进一步的，采用磁控溅射工艺在所述衬底上形成TiN下电极层；
[0020]采用反应溅射工艺在所述TiN下电极层上形成Ta2O5功能层；
[0021]在所述Ta2O5功能层上形成TaO
x
势垒层，所述TaO
x
势垒层的电阻率在6mΩ/cm～20mΩ/cm2之间。
[0022](三)有益效果
[0023]从上述技术方案可以看出，本公开一种忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片至少具有以下有益效果其中之一：
[0024](1)本公开在功能层和上电极之间增加一层势垒层，由此，可以通过精确调制该功能层的电阻值，使该器件在施加的擦除电压时，当器件上电压逐渐增大时，在势垒层中形成不稳定细丝，实现阈值转变的功能。
[0025](2)本公开忆阻器在功能层和上电极之间增加一层势垒层，能够同时实现突触的矩阵操作和神经元的脉冲操作，由此可以用于实现全忆阻器基的神经形态计算芯片。
附图说明
[0026]构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
[0027]图1为本公开忆阻器结构示意图。
[0028]图2为本公开忆阻器的基本IV特性曲线图。
[0029]图3为本公开忆阻器实现电子突触功能示意图。
[0030]图4为本公开忆阻器实现神经元功能示意图。
[0031]图5为本公开忆阻器基神经形态系统硬件原理图。
具体实施方式
[0032]为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
[0033]本公开提出一种忆阻器，包括：下电极层、位于所述下电极层上的功能层、位于所述功能层上的势垒层及位于所述势垒层上的上电极层；其中，所述功能层为阻变层。在此基础上，本公开还提出一种全忆阻器基的神经形态计算芯片，其包括所述的忆阻器，通过所述忆阻器的阈值转变实现突触的矩阵操作和神经元的脉冲操作。
[0034]此外，本公开还提出一种忆阻器的制备方法，包括：
[0035]在衬底上形成下电极层；
[0036]在所述下电极层上形成功能层；
[0037]在所述功能层上形成势垒层；及
[0038]在所述势垒层上形成上电极层；其中，所述功能层为阻变层。
[0039]本公开忆阻器、制备方法及全忆阻器基的神经形态计算芯片，在功能层和上电极之间增加一层势垒层，通过精确调制该功能层的电阻值，使该器件在施加的擦除电压时，当器件上电压逐渐增大时，在势垒层中形成不稳定细丝，实现阈值转变的功能。由此，可以同时实现突触的矩阵操作和神经元的脉冲操作，可以用于实现全忆阻器基的神经形态计算芯
片。
[0040]下面结合附图1-5详细介绍本公开实施例。
[0041]请参照图1所示，本实施例忆阻器的制备流程具体包括以下步骤：
[0042]步骤1：在衬底上采用磁控溅射的方法制备TiN下电极层；
[0043]步骤2：在TiN下电极层上制备Ta2O5阻变层，采用反应溅射的方法制备，衬底温度为室温，O/Ar流量比为12sccm：50sccm，功率为400W，气压＝3mtorr；
[0044]步骤3：在Ta2O5阻变层上制备TaO
x
势垒层，TaO
x
的电阻率需要控制在6mΩ/cm～20mΩ/cm2；
[0045]步骤4：在TaO
x
势垒层上方形成插层，插层材料可以为金属，如Ta、Ti等，也可以为半导体材料，如金属氧化物，非晶硅，非晶C，石墨烯等；
[0046]步骤4：在插层上形成上电极层，上电极材料不受限制，可以是Ir、Al，Ru，Pd，TiN，TaN等。
[0047]其中，功能层和势垒层分别是Ta2O5和TaO
x
，TaO
x
的电阻率控制在6mΩ/cm～20mΩ/cm，此时，TaO
x
的晶格结构处于临界状态。
[0048]所述忆阻器的标准的IV特性曲线如图2所示，该器件具有典型的存储功能，在正向施加电压，器件写入信息，在反向施加电压，器件信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种忆阻器，包括：下电极层、位于所述下电极层上的功能层、位于所述功能层上的势垒层及位于所述势垒层上的上电极层；其中，所述功能层为阻变层。2.根据权利要求1所述的忆阻器，其中，还包括位于所述势垒层和所述上电极层之间的插层。3.根据权利要求2所述的忆阻器，其中，所述下电极层的材质为TiN，采用磁控溅射形成；所述功能层的材质为Ta2O5，采用反应溅射形成；所述势垒层的材质为TaO
x
；所述插层的材质为金属、金属氧化物、非晶硅、非晶C或石墨烯；所述上电极层的材质为Ir、Al，Ru，Pd，TiN，TaN。4.根据权利要求3所述的忆阻器，其中，所述势垒层TaO
x
的电阻率介于6mΩ/cm～20mΩ/cm2之间。5.根据权利要求1所述的忆阻器，其中，通过调制所述功能层的电阻值实现所述忆阻器的电阻态的变化，通过在势垒层中形成不稳定细...

【专利技术属性】
技术研发人员：许晓欣，余杰，董大年，李晓燕，郑旭，吕杭炳，刘明，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：