一种铌酸锂易失性忆阻器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铌酸锂易失性忆阻器及其制备方法，该忆阻器采用磁控溅射法制备的铌酸锂薄膜为阻变材料。本发明专利技术使得器件内部导电细丝的形成和熔断可以通过电压的强度和持续时间控制达到不同的调制效果，使器件展现出了器件电阻自发衰减的且更趋近于生物突触的特性。同时，器件具有非线性和短期记忆的优点，对于储层计算硬件的实现有着重要的意义。于储层计算硬件的实现有着重要的意义。于储层计算硬件的实现有着重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种铌酸锂易失性忆阻器及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体和混合集成电路
，具体涉及一种适用于类脑计算的神经网络计算系统中的新型铌酸锂易失性忆阻器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着人工智能和物联网的快速发展，神经形态计算和硬件安全变得越来越重要。忆阻器是一类新兴的器件，它可以存储电阻值并随着电流的流过而改变电阻值，同时也可用于计算和通信。相比冯诺依曼架构，类脑神经网络计算具有异构性、自适应性、低能耗、本地计算和非线性特点，这使得其在处理复杂问题时表现更好、适应性更强、能效更高。忆阻器分为易失性忆阻器和非易失性忆阻器两种类型。易失性忆阻器的电阻值是暂时存储的，电流停止流过后，电阻值会立即恢复为初始值。易失性忆阻器具有短期记忆和器件电阻自发衰减的特点，并且具有与生物神经元和突触高度相似的结合和独特的物理机制。因此，易失性忆阻器是神经形态计算和硬件安全方面的极好候选器件之一。
[0003]易失性忆阻器常规的阻变材料是氧化钛(TiO2)或氧化铈(CeO2)。这些材料具有在电流流过时可改变电阻值的特性，并且在电流停止流过后电阻值会迅速恢复到其原始状态的特性，因此被广泛应用于易失性忆阻器的制造。铌酸锂是一种人工介电材料，在集成光子学领域有广泛的应用场景，其优异的电学、非线性和声光特性，以及其宽的透明窗口和相对较高的折射率使其成为一种受欢迎的材料。随着微加工技术的发展，铌酸锂薄膜多数采用离子切片法和晶圆键合制备。铌酸锂易失性忆阻器的制备过程中需要使用的工艺设备包括磁控溅射设备、电子束蒸发设备、光刻机、离子注入设备等。其中，磁控溅射设备是制备铌酸锂薄膜的主要设备，它可以将铌酸锂材料蒸发到基底上，形成薄膜。电子束蒸发设备和光刻机则用于制备铌酸锂易失性忆阻器的电极和电路。离子注入设备则可用于控制和调节铌酸锂忆阻器的电学性能。本专利技术的易失性忆阻器的薄膜采用磁控溅射法制备的铌酸锂薄膜，该器件具有强非线性和短期记忆，可应用于神经形态计算领域，并且展现出铌酸锂在该领域的应用前景。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种铌酸锂易失性忆阻器的制备方法：
[0005](a)绘制掩模图形，使用5寸掩模版，绘制出底电极结构和顶电极结构各一块，电极长度
[0006]20μm
±
0.5μm，电极宽度2μm
±
0.5μm，套刻后即为本专利技术制备的十字交叉式忆阻器结构；
[0007](b)掩模版预处理：依次用丙酮、酒精、去离子水冲洗掩模版后放入100℃烘箱烘干表面液体，
[0008]目的是去除掩模版表面杂物影响光刻精度；
[0009](c)基片预处理：选取4寸硅片作为基片，依次用酒精和去离子水冲洗基片后放入
100℃烘箱
[0010]烘干表面液体，目的是去除基片表面杂物影响沉积薄膜的成品率；
[0011](d)匀胶工艺：1、放置托盘和硅片，打开真空泵，硅片吸附在托盘上方。2、将AZ GXR
‑
601光刻胶溶液适量滴在在硅片表面；3、设置转速及时间，第一步：700r/min持续9s；第二部：3000r/min持续20s，打开加速旋转托盘(硅片)，光刻胶在随之旋转受到离心力，使得光刻胶向着硅片外围移动，故涂胶也可以被称作甩胶。经过甩胶之后，留在硅片表面的光刻胶
[0012]不足原有的1％；
[0013](e)前烘：去除光刻胶中残余溶剂，提高光刻胶的粘附性和均匀性。未经前烘的光刻胶易发粘并受颗粒污染，粘附力不足，还会因溶剂含量过高导致显影时存在溶解差异难以区分曝光和
[0014]未曝光的光刻胶；
[0015](f)光刻：1、打开氮气、真空和压缩空气阀，汞灯起辉预热30min。2、将掩模版和基片固定在装版架。3、曝光参数设置为接近式曝光，曝光强度为200Dose，持续时间为20s。
[0016]显影：曝光结束后将基片浸泡在MF 319DEVELOPER显影液中，不断摇晃持续45秒；去离子水重新120s，氮气枪吹干表面液体，原理是通过在曝光过程结束后加入显影液，正光刻胶的感光区、会溶解于显影液中，经过曝光的掩模图形会留在基片上；
[0017](g)去胶：去胶时通28sccm氧气和280sccm氩气，功率为100w，持续时间为30s，除去基片表面残余光刻胶。
[0018](h)溅射：1、将基片和铂靶材固定在溅射台，抽真空。2、真空度达到3*E
‑
7Torr，基片台开始旋转，通20sccm的氩气，设置30mTorr使靶材起辉。3、设置工作气压为3mTorr，工作功率为30w溅射时间为3min。
[0019](i)溅射后，将基片浸泡在丙酮溶液中，剥离未曝光区域沉积的铂薄膜，酒精、和去离子水冲
[0020]洗，氮气枪吹干；
[0021](g)重复步骤(b
‑
g)在基片上光刻出铌酸锂顶电极结构；
[0022](k)溅射铌酸锂薄膜，工作气压为3mTorr，工作功率70W，溅射时间为20min；
[0023](l)溅射铌金薄膜，工作气压为3mTorr，工作功率30W，溅射时间为3min；
[0024](m)溅射后，将基片浸泡在丙酮溶液中，剥离未曝光区域沉积的铂薄膜，酒精、和去离子水冲洗，氮气枪吹干；
[0025]铌酸锂器件制备完成，进行电学测试，金电极接电源正极，铂电极接电源负极，对施加电压为(0V
‑
5V
‑
0V
‑‑
5V
‑
0V)。当任何一个极性的电压超过阈值电压时，该器件可以从高阻值状态切换为低阻值状态。随着电压强度降低，器件发生从低阻值状态到高阻值状态的自发转变。
[0026]器件的电阻值是暂时存储的，电流停止流过后，电阻值会立即恢复为初始值，所以铌酸锂忆阻器为易失性忆阻器，具有短期记忆。器件的电流
‑
电压测试图特性是非线性的，正极性约为102，负极性约为2。为了进一步了解铌酸锂易失性忆阻器开关机理，制备了不同尺寸的器件。虽然尺寸不同，但所有器件都表现易失性。无论器件的大小如何，器件都会在2V左右切换到LRS。虽然HRS电流随着器件尺寸的增加而增加，但LRS电流几乎保持不变。这
表明了铌酸锂易失性忆阻器的电阻变化机理为电压控制下内部形成导电细丝，使得转变为低阻值状态。
附图说明
[0027]图1铌酸锂忆阻器的掩模图形示意图；
[0028]图2铌酸锂忆阻器的测试图；
[0029]图3五种不同尺寸的铌酸锂忆阻器的测试图；
具体实施方式：
[0030]本专利技术提供一种铌酸锂易失性忆阻器的制备方法：下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述。图一所示的铌酸锂易失性忆阻器的掩模图形，红色区域为底电极结构，即铂薄膜图形，蓝色区域为顶电极结构，即铌酸锂薄膜和金薄膜图形。铌酸锂忆阻器具体工艺流程包括：
[0031](a)掩模版预处理：依次用丙酮、酒精、去离子水冲洗掩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.易失性忆阻器，其特征在于，包括底电极、阻变层和顶电极，易失性忆阻器的电阻值是暂时存储的，电流停止流过后，电阻值会立即恢复为初始值，所以易失性忆阻器具有短期记忆的特点。2.如权利要求1所述，其特征在于，所述电极采用铂和金，厚度为30nm
±
0.5nm。3.如权利要求1所述，其特征在于，所述阻变层采用铌酸锂薄膜，厚度为100nm
±
0.5nm。4.铌酸锂易失性忆阻器制备方法：所述器件采用光刻工艺，制备出十字交叉式忆阻器的底电极结构，在底电极结构表面溅射一层铂作为底电极，继而在底电极结构上采用光刻工艺，制备出十字交叉式忆阻器的顶电极结构，在顶电极结构表面先溅射一层铌酸锂薄膜，再溅射一层金薄膜作为顶电极，制备出铌酸锂忆阻器；具体铌酸锂易失性忆阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵元溪，段文睿，李黄龙，董东犁，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：