[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种基于量子电导效应的忆阻器及其制备调制方法及应用。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，按照本发明的一个方面，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HfO_x材料；其中，1.6<x<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。

为实现本发明目的，按照本发明的另一方面，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，本发明通过控制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HfO_x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；