一種憶阻器及增強(qiáng)其電子突觸功能的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種憶阻器及增強(qiáng)其電子突觸功能的方法，該憶阻器包括：一襯底；一第一端電極，設(shè)置于襯底上；一經(jīng)等離子處理的氧化物介質(zhì)，設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)或上方；一第二端電極，若所述氧化物介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物介質(zhì)的右側(cè)；若所述氧化物介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的上方，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物介質(zhì)的上方。本發(fā)明通過等離子處理氧化物介質(zhì)，增強(qiáng)了突觸權(quán)重變化率的重現(xiàn)性和調(diào)節(jié)范圍，從而提升突觸性能。
【專利說明】
一種憶阻器及増強(qiáng)其電子突觸功能的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種憶阻器及增強(qiáng)其電子突觸功能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大數(shù)據(jù)時代的到來對高性能計(jì)算產(chǎn)生迫切需求。但是在傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)里，中央處理單元和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸速率被限制，使得通過馮.諾依曼構(gòu)架的計(jì)算系統(tǒng)受到挑戰(zhàn)。具有并行運(yùn)算功能的電路，同時具備信息存儲和處理的能力，可消除這種瓶頸，在這種計(jì)算體系中類似生物神經(jīng)突觸的電子器件是至關(guān)重要的基礎(chǔ)器件。目前，基于憶阻器的電子突觸器件存在性能波動大、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)。由于憶阻器作為電子突觸使用還是比較新的領(lǐng)域，降低參數(shù)波動性并提高其穩(wěn)定性的方案還極少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種憶阻器及增強(qiáng)其電子突觸功能的方法，該方案通過等離子處理氧化物介質(zhì)，增強(qiáng)了突觸權(quán)重變化率的重現(xiàn)性和調(diào)節(jié)范圍，從而提升突觸性能。
[0004]本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn):一種憶阻器，包括:
一襯底；
一第一端電極，設(shè)置于襯底上；
一經(jīng)等離子處理的氧化物介質(zhì)，設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)或上方；
一第二端電極，若所述氧化物介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物介質(zhì)的右側(cè);若所述氧化物介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的上方，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物介質(zhì)的上方。
[0005]其中，所述的憶阻器具有電阻漸變特性和電子突觸特性。
[0006]進(jìn)一步地，所述襯底為聚合物、金屬、半導(dǎo)體或絕緣體;所述第一端電極與第二端電極的材質(zhì)為金屬、金屬合金、導(dǎo)電金屬化合物與半導(dǎo)體;所述的氧化物介質(zhì)為氧化物。
[0007]進(jìn)一步地，所述金屬包括Al、T1、Ta、Cu、Pt、Au、W、Ni或Ag;所述金屬合金包括Pt/!!、!！/^!、(^/!!、(^/^!!、(^/^!、!！/胃或六丨/^^所述導(dǎo)電金屬化合物和半導(dǎo)體包括!^!^、丁&1吧1厶20、11'0或卩1'0;所述氧化物包括2110、010、0120、祖0、厶1203、!1?)2、1102或180、5102。
[0008]進(jìn)一步地，所述憶阻器的制備方法包括以下步驟:
步驟S11:在襯底上通過磁控濺射、PECVD、M0CVD、ALD、MBE、PLD或蒸發(fā)的方法制作第一端電極；
步驟S12:在所述第一端電極的右側(cè)或上方設(shè)置經(jīng)等離子體處理的氧化物介質(zhì)，并與所述第一端電極形成良好電接觸；
步驟S13:在所述氧化物介質(zhì)的右側(cè)或上方通過磁控濺射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸發(fā)的方法制作第二端電極并與所述氧化物介質(zhì)形成良好電接觸。
[0009]進(jìn)一步地，通過等離子體修飾的方式處理所述氧化物介質(zhì)，具體步驟如下:
步驟S21:將所述氧化物介質(zhì)放置于腔室中，并抽真空至0.1Pa以下；
步驟S22:在所述真空腔室中通入Ar、N2、02、NH3、H2、CHF3、CF4、SF6氣體中的一種或幾種，并保持腔室氣壓為0.1?100 Pa；
步驟S23:施加10~300W功率于腔室內(nèi)的氣體使其離子化，并保持等離子體對介質(zhì)作用，作用時間為I?3600 S0
[0010]進(jìn)一步地，所述氧化物介質(zhì)的制備方法為:磁控濺射、CVD、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸發(fā)法。
[0011]進(jìn)一步地，對所述憶阻器進(jìn)行電阻連續(xù)調(diào)制:通過連續(xù)的多次正向電壓掃描或電流掃描使所述憶阻器從低阻態(tài)逐漸變化到高阻態(tài)，然后通過連續(xù)多次的負(fù)方向電壓掃描或電流掃描使所述憶阻器從高阻態(tài)逐漸恢復(fù)到低阻態(tài);或通過連續(xù)的多次負(fù)向電壓掃描或電流掃描可使器件從低阻態(tài)逐漸變化到高阻態(tài)，然后通過連續(xù)多次的正方向電壓掃描或電流掃描可使器件從高阻態(tài)逐漸恢復(fù)到低阻態(tài)。
[0012]進(jìn)一步地，所述憶阻器的電阻連續(xù)調(diào)制還可以通過連續(xù)施加正電脈沖或負(fù)電脈沖實(shí)現(xiàn)。
[0013]本發(fā)明還采用以下方法實(shí)現(xiàn):一種增強(qiáng)憶阻器電子突觸功能的方法，通過采用一種脈沖對疊加的方法，從兩個脈沖通道分別向第一端電極和第二端電極輸入脈沖，通過控制兩脈沖觸發(fā)的時間差改變器件電阻變化率，從而實(shí)現(xiàn)電子突觸功能。
[0014]進(jìn)一步地，所述脈沖為矩形波、三角波、正弦波中的任一種或幾種脈沖的組合。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:通過等離子體處理氧化物介質(zhì)，在介質(zhì)中引入缺陷，從而降低權(quán)重變化率的不確定性，提高其重現(xiàn)性。通過缺陷的額外引入也可以增加突觸權(quán)重變化率的調(diào)節(jié)范圍，提高神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的精度。除此之外，等離子體處理工藝和目前的工藝兼容，在不太增加成本的情況下提升了突觸性能。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明中憶阻器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明中經(jīng)等離子處理的憶阻器的電壓-電流特性曲線。
[0018]圖3為本發(fā)明中憶阻器在直流電壓掃描模式下，電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)過程。
[0019]圖4為本發(fā)明中經(jīng)等離子處理前后的憶阻器在單向脈沖模式下，電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)過程。
[0020]圖5(a)為本發(fā)明中未經(jīng)等離子處理憶阻器對時間依賴脈沖下的電子突觸學(xué)習(xí)功能實(shí)測圖1。
[0021]圖5(b)為本發(fā)明中經(jīng)等離子處理憶阻器對時間依賴脈沖下的電子突觸學(xué)習(xí)功能實(shí)測圖2。
[0022]圖示說明:01_第一端電極，02-氧化物，03-第二端電極，04-襯底。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例，只用于本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例，也不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
對本發(fā)明做出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述優(yōu)選實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法;所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。在圖示中，襯底、左端電極、氧化物、右端電極等結(jié)構(gòu)為理想化模型，不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格規(guī)定其參數(shù)、幾何尺寸。在此，參考圖是本發(fā)明理想化實(shí)施例的示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀，而是包括能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能的其他形狀。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明提供一種憶阻器，包括:
一襯底04;
一第一端電極OI，設(shè)置于所述襯底04上；
一氧化物02，設(shè)置于所述第一端電極OI右側(cè)；
一第二端電極03，設(shè)置于所述氧化物02的右側(cè)其中，所述氧化物02經(jīng)等離子處理。
[0025]在本發(fā)明一實(shí)施例中，當(dāng)采用等離子處理氧化鋅納米線02時，其步驟和特征在于，包括:
BI)在Si/Si02襯底04上通過磁控濺射法制備第一端電極01;
B2)在所述第一端電極01的右側(cè)通過CVD法制作氧化鋅納米線02，并與所述第一端鈦電極01形成良好電接觸；
B3)通過氬等離子體處理所述氧化鋅納米線02的表面；
B4)在所述納米線02的右側(cè)通過磁控濺射法制備第二端金屬鈦電極03，并與納米線02形成良好電接觸。
[0026]以下結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027]一種憶阻器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由氧化硅襯底04、厚度為110 nm的Ti作為第一端電極01、長度為10 μ??直徑為100 nm的氧化鋅納米線作為氧化物介質(zhì)02，厚度為110 nm的Ti作為第二端電極03構(gòu)成。
[0028]對氧化鋅納米線進(jìn)行等離子體轟擊處理，其具體制作步驟如下:
將ZnO納米線撒在氧化硅襯底之上，然后通過磁控濺射的方式將第一端電極制作在ZnO納米線上，接著采用100瓦氬等離子處理ZnO納米線120秒，隨后在ZnO納米線另一端用磁控濺射制備第二端電極。
[0029]對本實(shí)施例中的憶阻器進(jìn)行電學(xué)測試，圖2為經(jīng)等離子處理的氧化物憶阻器的電壓-電流特性曲線，其中測試時在第一端電極施加正、負(fù)電壓而右端電極均為接地。圖3是該氧化物憶阻器在直流電壓掃描模式下的電阻連續(xù)調(diào)節(jié)過程，表明該器件可以通過多次連續(xù)單向的set/reset實(shí)現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)而體現(xiàn)出電阻的漸變特性。圖4為脈沖激勵下，該器件的電阻連續(xù)調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)過程類似于生物神經(jīng)突觸中連接強(qiáng)度的調(diào)節(jié)過程。圖中可以看出，等離子處理后憶阻器電阻變化的穩(wěn)定性和重復(fù)性明顯好于未經(jīng)等離子體處理的憶阻器，這對憶阻器突觸功能的利用有很大幫助。圖5(a)和圖5(b)反映了等離子處理對憶阻器脈沖時間依賴可塑性的影響。從實(shí)測的STDP數(shù)據(jù)可以看出，等離子體處理器件的突觸權(quán)重變化率的重現(xiàn)性明顯好于未經(jīng)等離子處理的器件，且其突觸權(quán)重變化率的調(diào)節(jié)范圍也得到極大提升(從?10%增加到?150%)，這些改善不僅有利于提高突觸使用的穩(wěn)定性，還有助于提升神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的精度。
[0030]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種憶阻器，其特征在于，包括: 一襯底； 一第一端電極，設(shè)置于襯底上； 一經(jīng)等離子處理的氧化物介質(zhì)，設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)或上方； 一第二端電極，若所述氧化物介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的右側(cè)，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物介質(zhì)的右側(cè);若所述氧化物介質(zhì)設(shè)置于所述第一端電極的上方，則所述第二端電極設(shè)置于所述氧化物介質(zhì)的上方； 其中，所述的憶阻器具有電阻漸變特性和電子突觸特性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種憶阻器，其特征在于:所述襯底為聚合物、金屬、半導(dǎo)體或絕緣體;所述第一端電極與第二端電極的材質(zhì)為金屬、金屬合金、導(dǎo)電金屬化合物與半導(dǎo)體;所述的氧化物介質(zhì)為氧化物。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種憶阻器，其特征在于:所述金屬包括Al、T1、Ta、Cu、Pt、Au、￥、附或48;所述金屬合金包括?^/11、11八&、01/11、01/^11、(:11/^1、11/￥或41/2^所述導(dǎo)電金屬化合物和半導(dǎo)體包括1^、1^、了31￥3丨^20、11'0或？1'0;所述氧化物包括2110、010、0120、Ni0、Al203、HfO2、Ti02 或 Mg0、Si02。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種憶阻器，其特征在于:所述憶阻器的制備方法包括以下步驟: 步驟S11:在襯底上通過磁控濺射、PECVD、M0CVD、ALD、MBE、PLD或蒸發(fā)的方法制作第一端電極； 步驟S12:在所述第一端電極的右側(cè)或上方設(shè)置經(jīng)等離子體處理的氧化物介質(zhì)，并與所述第一端電極形成良好電接觸； 步驟SI3:在所述氧化物介質(zhì)的右側(cè)或上方通過磁控濺射、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD或蒸發(fā)的方法制作第二端電極并與所述氧化物介質(zhì)形成良好電接觸。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種憶阻器，其特征在于:通過等離子體修飾的方式處理所述氧化物介質(zhì)，具體步驟如下: 步驟S21:將所述氧化物介質(zhì)放置于腔室中，并抽真空至0.1Pa以下； 步驟S22:在所述真空腔室中通入Ar、N2、O2、NH3、H2、CHF3、CF4、SF6氣體中的一種或幾種，并保持腔室氣壓為0.1?10Pa; 步驟S23:施加10?300W功率于腔室內(nèi)的氣體使其離子化，并保持等離子體對介質(zhì)作用，作用時間為I?3600 S06.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種憶阻器，其特征在于:所述氧化物介質(zhì)的制備方法為:磁控濺射、CVD、PECVD、MOCVD、ALD、MBE、PLD 或蒸發(fā)法。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種憶阻器，其特征在于:對所述憶阻器進(jìn)行電阻連續(xù)調(diào)制:通過連續(xù)的多次正向電壓掃描或電流掃描使所述憶阻器從低阻態(tài)逐漸變化到高阻態(tài)，然后通過連續(xù)多次的負(fù)方向電壓掃描或電流掃描使所述憶阻器從高阻態(tài)逐漸恢復(fù)到低阻態(tài);或通過連續(xù)的多次負(fù)向電壓掃描或電流掃描可使器件從低阻態(tài)逐漸變化到高阻態(tài)，然后通過連續(xù)多次的正方向電壓掃描或電流掃描使器件從高阻態(tài)逐漸恢復(fù)到低阻態(tài)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種憶阻器，其特征在于:所述憶阻器的電阻連續(xù)調(diào)制還通過連續(xù)施加正電脈沖或負(fù)電脈沖實(shí)現(xiàn)。9.一種增強(qiáng)如權(quán)利要求1所述的憶阻器電子突觸功能的方法，其特征在于:通過采用一種脈沖對疊加的方法，從兩個脈沖通道分別向第一端電極和第二端電極輸入脈沖，通過控制兩脈沖觸發(fā)的時間差改變器件電阻變化率，從而實(shí)現(xiàn)電子突觸功能。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種增強(qiáng)憶阻器電子突觸功能的方法，其特征在于:所述脈沖為矩形波、三角波、正弦波中的任一種或幾種脈沖的組合。
【文檔編號】H01L45/00GK106098936SQ201610591480
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月26日 公開號201610591480.2, CN 106098936 A, CN 106098936A, CN 201610591480, CN-A-106098936, CN106098936 A, CN106098936A, CN201610591480, CN201610591480.2
【發(fā)明人】賴云鋒, 陳凡, 邱文彪, 程樹英, 林培杰, 俞金玲, 周海芳
【申請人】福州大學(xué)