[发明专利]忆阻器及其制备方法、应用

说明书

本发明提供了一种忆阻器及其制备方法，涉及微电子的技术领域。本发明的忆阻器包括依次排列的底电极、电介质层、阻变层以及顶电极；其中的电介质层为非晶二氧化硅，阻变层为铜掺杂钛酸锶。本发明解决了忆阻器耐受性不足、稳定性低以及均一性不佳的技术问题，达到了具有优异的耐久性能、出色的开关性能、高的稳定性能以及出色的均匀性的特点，可以长时间稳定地工作而不会发生任何退化的技术效果。

技术领域

本发明涉及微电子的技术领域，尤其是涉及一种忆阻器及其制备方法、应用。

背景技术

近年来，阻变随机存储器(RRAM)是新兴存储器技术中最有希望的候选者之一，它具有阻变响应速度快、每单位能量消耗扩展性高、耐久性以及稳定性高的优点，引起了硅微电子学行业的广泛关注；此外，“金属/固体电解质/金属”这种简单的双端子结构也被用于3D可堆叠的高密度数据存储架构中。以上的诸多特点使得RRAM在众多领域中表现出潜在的应用价值，例如内存中的计算、数据存储以及内存逻辑单元。

目前，TiO_x、WO_x、NiO、CuO、Ta₂O₅以及ZrO等的金属氧化物材料已经作为固体电解质而被广泛应用于阻变存储器的研究之中。对于这些器件，阻变(RS)依赖于氧化还原过程和离子迁移过程在固体电解质内引起电子限域导电丝或功能界面的横向均匀性，但是仍然存在着许多有待于解决的问题，例如高温过程、高功耗、可靠性问题以及稳定性问题。因此，为使RRAM在高级电子系统中得以出色的应用，仍然需要进一步优化材料和器件的结构。

二氧化硅(SiO₂)主要作为栅介质材料和线路工艺后端(BEOL)的钝化层，在RRAM中的应用也有所研究。SiO₂材料具有高的晶片级均匀性，而且与传统CMOS技术的3D结构也表现出较佳的一致性。氧空位的移动或电流-电压(I-V)特性的缺陷会引起强烈的滞后现象；而基于金属氧化物的RRAM会存在可靠性的相关问题，主要在于耐久性和稳定性。人们已经探索了各种策略来提高器件的阻变性能。此外，随着时间的推移，二氧化硅会在环境湿度的影响下表现出退化现象，而会损害基于二氧化硅的RRAM器件的开关行为。

目前，有许多关于基于SiO₂的RRAM器件的阻变机理的解释，而在众多的解释当中，由于具有低工作电压和高开比的缘故，活性金属电极例如铜所形成的高导电细丝(CFs)机制被深入研究。活性电极的活性原子在电场作用下表现出的导电细丝的形成/溶解是丝状RRAM器件产生阻变行为的关键因素。然而，聚集的金属原子的浓度很大地影响了这种器件的阻变性能，高导电细丝会诱发不同的阻变行为，而这种多变性影响了RRAM器件的可靠性和均匀性，例如由活性金属原子所形成的低浓度导电细丝可以引起阈值开关行为而非阻变行为。因此，为了获得可靠的阻变行为，必须调整活性金属原子的浓度，使纳米尺度的导电细丝通过电介质层实现可控的生长。

由于RRAM与传统的CMOS制造流程相兼容，因此其备受关注。然而为了满足工业标准，这种类型器件的稳定性和可靠性仍是一个巨大的挑战，例如在长期的反复开关操作之后，器件极易发生故障，难以保持高的耐受性、稳定性和均一性。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种忆阻器，具有优异的耐久性能、出色的开关性能以及较佳的稳定性能。

本发明的目的之二在于提供一种忆阻器的制备方法，工艺简单、高效且稳定。

本发明的目的之三在于一种忆阻器在数据存储、内存计算以及神经形态技术中的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种忆阻器，包括依次排列的底电极、电介质层、阻变层以及顶电极；

所述电介质层为非晶二氧化硅；

所述阻变层为铜掺杂钛酸锶。