一种太赫兹铁电神经突触器件及其制备方法

1.本发明涉及属于半导体技术领域，具体涉及一种太赫兹铁电神经突触器件及其制备方法。


背景技术：

2.生物体中的神经突触响应时间为10ms，响应频率为100hz，即可高效地实现各种神经计算与存储功能。目前，现有的电子神经突触器件也可以达到100hz的响应频率，完成神经突触可塑性功能模拟。为了进一步提高计算效率，开发具有高速响应的仿生神经突触器件刻不容缓。
3.最近，太赫兹器件由于时域频谱的高信噪比、瞬时带宽高、与生物大分子的振动和转动能级匹配等优势，得到广泛关注与迅速发展。特别是高频率的特性，对于电子器件的响应提升具有重要意义。开发具有太赫兹响应的神经突触器件将极大程度提高器件的响应灵敏度，最大化地提高计算效率。
4.铁电存储器作为一种具有潜力的非易失性存储器件，在集成电路领域具有重要应用。尽管已有bifeo3、pbtio3等传统铁电材料证明了用于神经突触仿生的可能性，但cmos工艺兼容性及响应频率低等问题限制了其发展。利用物理气相沉积法制备掺杂的铪基铁电薄膜将打破这些限制，具有应用于cmos工艺兼容的太赫兹铁电神经突触的潜力。


技术实现要素：

5.本发明公开一种太赫兹铁电神经突触器件，包括：衬底；铪基铁电功能层，形成在所述衬底上，呈长条状；电极，形成在所述长条状铪基铁电功能层的两侧，所述电极包括测试区和接触区，所述接触区与所述铁电功能层相接触，所述接触区呈t型状，且其平顶部的延伸方向与所述铁电功能层的延伸方向垂直，在一侧电极施加太赫兹激励，实现高速电畴极化翻转，获得可控的电导调制状态，用于神经形态计算。
6.本发明的太赫兹铁电神经突触器件中，优选为，两侧电极的接触区的平顶部间的间距为10nm～70nm。
7.本发明的太赫兹铁电神经突触器件中，优选为，铪基铁电功能层为hf
0.5
zr
0.5
o2，hfalo
x
，hfsio
x
。
8.本发明的太赫兹铁电神经突触器件中，优选为，铪基铁电功能层的长度优选为50μm～200μm，宽度优选为10μm～80μm。
9.本发明还公开一种太赫兹铁电神经突触器件制备方法，包括以下步骤：在所述衬底上形成长条状铪基铁电功能层；在所述长条状铪基铁电功能层的两侧形成电极，所述电极包括测试区和接触区，所述接触区与所述铁电功能层相接触，所述接触区呈t型状，且其平顶部的延伸方向与所述铁电功能层的延伸方向垂直，在一侧电极施加太赫兹激励，实现高速电畴极化翻转，获得可控的电导调制状态，用于神经形态计算。
10.本发明的太赫兹铁电神经突触器件制备方法中，优选为，形成长条状铪基铁电功
能层的步骤，具体包括：旋涂光刻胶作为阻挡层，转速为2000转/min～4000转/min，旋转时长为20s～120s，以90℃～150℃烘烤30s～120s，随后进行紫外曝光，用于定义铁电层的生长区域；利用物理气相沉积法在衬底上生长厚度为10nm～25nm的铪基铁电薄膜；去除光刻胶，获得长条状铪基铁电薄膜；随后采用快速热退火工艺，在氮气的氛围下以400℃～600℃退火30s～120s。
11.本发明的太赫兹铁电神经突触器件制备方法中，优选为，所述铪基铁电功能层为hf
0.5
zr
0.5
o2，hfalo
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x
。
12.本发明的太赫兹铁电神经突触器件制备方法中，优选为，所述铪基铁电功能层的长度优选为50μm～200μm，宽度优选为10μm～80μm。
13.本发明的太赫兹铁电神经突触器件制备方法中，优选为，两侧电极的接触区的平顶部间的间距为10nm～70nm。
14.有益效果：
15.(1)突破生物神经突触以及传统神经突触器件的响应速度，利用太赫兹的响应频率取代传统的100hz响应频率，极大程度地提高了器件的响应速度，增强了器件的计算效率。
16.(2)设计了太赫兹的器件结构并将其应用于铁电神经突触，实现了跨领域的器件融合，拓展了太赫兹器件的应用领域，实现了存储与计算功能的结合，拓展了器件的潜在应用场景。
17.(3)利用物理气相沉积的掺杂铪基铁电薄膜代替传统的pbtio3等铁电层，提高了器件在集成电路中的cmos兼容性，获得具有高频响应的铁电器件，使得器件更具有应用于工业级产品的潜力。
附图说明
18.图1是太赫兹铁电神经突触器件制备方法流程图。
19.图2～图5是太赫兹铁电神经突触器件制备方法各阶段的流程图。
20.图6是太赫兹铁电神经突触器件运行示意图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处
理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
24.图1是太赫兹铁电神经突触器件制备方法流程图。如图1所示，太赫兹铁电神经突触器件制备方法包括以下步骤：
25.在步骤s1中，准备具有100nm～300nm厚的氧化硅层101的硅片100作为衬底，用于制备太赫兹神经突触器件。衬底还可以是玻璃、sic等。
26.步骤s2中，在衬底上旋涂ar-3510t光刻胶作为阻挡层102，转速为2000转/min～4000转/min，旋转时长为20s～120s，以90℃～150℃烘烤30s～120s，随后进行紫外曝光，用于定义铁电层的生长区域103，如图2所示。
27.利用物理气相沉积法在衬底上生长厚度为10nm～25nm的铪基铁电薄膜104，如图3所示。铪基铁电薄膜优选为hf
0.5
zr
0.5
o2，还可以是hf
0.5
zr
0.5
o2，hfalo
x
，hfsio
x
等掺杂的铪基铁电薄膜。
28.利用丙酮超声去除ar-3510t光刻胶，获得长度为50μm～200μm，宽度为10μm～80μm的长条状hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜105，如图4所示。
29.随后采用快速热退火工艺，在氮气的氛围下以400℃～600℃的温度下，退火30s～120s，获得具有铁电性的功能层。
30.步骤s3中，借助电子束光刻，在长条状hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜105相距较远的两侧制备电极pt，完成太赫兹铁电突触器件的制备，如图5所示。两侧电极分别包括测试区106,106’和接触区，其中，接触区与hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜105相接触，接触区呈t型状，包括主干107,107’和平顶部108,108’，且其主干的延伸方向与长条状hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜105的延伸方向平行且存在重合区域，其平顶部的延伸方向与长条状hf
0.5
zr
0.5
o2薄膜105的延伸方向垂直且相互交叠。两侧电极的平顶部108,108’的间距优选为10nm～70nm。电极厚度优选为20nm～100nm，电极的材料优选为al，au，pt，pd，ti，ni等。
31.如图5所示的太赫兹铁电神经突触器件，包括衬底；铪基铁电功能层105，形成在衬底上，呈长条状；电极，形成在长条状铪基铁电功能层相距较远的两侧，两侧电极分别包括测试区106,106’和接触区，接触区与铪基铁电功能层105相接触，接触区呈t型状，包括主干107,107’和平顶部108,108’，且其主干108,108’的延伸方向与铪基铁电功能层105的延伸方向平行且存在重合区域，其平顶部108的延伸方向与铪基铁电功能层105的延伸方向垂直且相互交叠。如图6所示，在一侧电极施加太赫兹激励，实现高速电畴极化翻转，获得可控的电导调制状态，用于神经形态计算。
32.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。