一种物理瞬态的可重构型忆阻器及制备方法

1.本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种物理瞬态的可重构型忆阻器及制备方法。


背景技术：

2.作为一种新兴的存储技术，忆阻器可在电应力的调控下实现高阻态与低阻态之间的可控转换，凭借着简单的器件结构与制备工艺、较低的功耗、良好的cmos工艺兼容性以及易于三维集成等优势成为了存储技术领域中极具发展潜力的重要候选者之一。按照数据保持能力的不同，忆阻器可分为易失型和非易失型忆阻器：易失型忆阻器在所施加的电信号撤去之后，其所存储的数据信息也会随之消失，器件本身不具备数据存储能力；而非易失型忆阻器具有数据保持能力，在电信号撤去之后依然能够继续存储数据信息，表现为非挥发性。当前基于忆阻器的存算一体优势构建的类脑计算已经得到了越来越多的关注，为了更好的适应当前的计算复杂度水平、构建类脑式存内计算框架，要求电子器件具有特定的开关特性，这就需要对忆阻器进行重新配置，赋予忆阻器以可重构特性，从而满足各类易失型与非易失型开关需求。
3.可重构型忆阻器能够在不同的测试条件下可控地完成易失型和非易失型存储功能之间的转换，对于构建高效低耗的类脑式存内计算模式具有重要优势，近年来，研究者们通过调制限制电流和外加偏压实现了可重构型忆阻器，并在阻态转换速度、能效及耐受性提升等方面进行了材料结构与器件结构的筛选与优化。hong wang等人基于ag/蚕丝蛋白/au三明治结构通过调控限制电流分别实现了挥发性阈值开关功能与非挥发性阻值存储功能，该方案采用溶液旋涂法完成蚕丝蛋白阻变层的高效大面积制备，但受制于旋涂时高分子薄膜的均匀性问题，不同器件的set电压在1.3-3.4v之间变换，器件之间的性能均一性并不理想。rohit abraham john等人以cspbbr3纳米晶/4-丁基-n,n-二苯基苯胺均聚物(poly(n,n
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bis-4-butylphenyl-n,n-bisphenyl)benzidine))为阻变转换层，通过调控限制电流和外加偏压实现了可控转换的易失型和非易失型忆阻功能，这种方案巧妙地将钙钛矿纳米晶与有机层进行组合赋予器件记忆能力的可重构性，但器件的非易失型阻值转换的操作电压高达-6v，未能发挥忆阻器的低功耗优势。yaoyao fu等人基于v/vox/hfwox/pt器件结构构建忆阻功能，通过调控外加偏压同时实现了耐受性良好的挥发性和非挥发性存储功能。
4.值得注意的是，伴随着大数据时代的到来，如何保障信息安全已然成为困扰着用户隐私的一大难题，如何防范私密信息、特别是国防战略信息不被窥测和泄露仍然是亟需面对的重要挑战。这不仅要求计算机的算力不断提升，同时也对计算系统的安全性提出了更高的要求，如何赋予存内计算系统以攻击抵御能力、构建信息安全的防御屏障仍然是亟需解决的关键技术难题。
5.然而，现有报道的可重构型忆阻器尚未考虑存内计算应用中应当重视的信息安全问题，仍需结合器件的功用特点赋予其应变能力，保障存储的机要信息不被泄露。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种物理瞬态的可重构型忆阻器及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.本发明实施例提供了一种物理瞬态的可重构型忆阻器，所述可重构型忆阻器可溶于水溶液中，包括：衬底、底电极、阻变功能层和若干顶电极，其中，
8.所述底电极位于所述衬底上，所述底电极的材料采用水溶性金属材料；
9.所述阻变功能层包括第一水溶性介质层和第二水溶性介质层，所述第一水溶性介质层位于所述底电极上，所述第二水溶性介质层位于所述第一水溶性介质层上，所述第一水溶性介质层的材料包括第一水溶性介质材料，所述第二水溶性介质层的材料包括第二水溶性介质材料；
10.所述若干顶电极阵列分布在所述第二水溶性介质层上。
11.在本发明的一个实施例中，所述水溶液包括水或者磷酸盐缓冲液。
12.在本发明的一个实施例中，所述水溶性金属材料包括w、mo中的任一种，所述底电极的厚度为90-100nm。
13.在本发明的一个实施例中，所述第一水溶性介质材料包括sinx，所述第一水溶性介质层的厚度为8-10nm。
14.在本发明的一个实施例中，所述第二水溶性介质材料包括mgo，所述第二水溶性介质层的厚度为10-12nm。
15.在本发明的一个实施例中，所述顶电极的材料包括ag、mg、cu中的任一种，厚度为90-100nm；
16.当所述顶电极的形状为方形时，每个所述顶电极的边长为50-100μm，相邻所述顶电极之间的距离为100-200μm；
17.当所述顶电极的形状为圆形时，每个所述顶电极的直径为50-100μm，相邻所述顶电极之间的距离为100-200μm。
18.本发明的另一个实施例提供了一种物理瞬态的可重构型忆阻器的制备方法，包括步骤：
19.s1、在衬底上制备水溶性金属材料，得到底电极；
20.s2、在所述底电极上沉积第一水溶性介质材料，得到第一水溶性介质层；
21.s3、在所述第一水溶性介质层上沉积第二水溶性介质材料，得到第二水溶性介质层，所述第一水溶性介质层和所述第二水溶性介质层形成阻变功能层；
22.s4、在所述第二水溶性介质层上沉积阵列分布的若干顶电极，得到所述可重构型忆阻器，所述可重构型忆阻器可溶于水溶液中。
23.在本发明的一个实施例中，步骤s1包括：
24.采用直流磁控溅射方法，在所述衬底上制备90-100nm厚的所述水溶性金属材料，得到所述底电极，其中，所述水溶性金属材料包括w、mo中的任一种。
25.在本发明的一个实施例中，步骤s2包括：
26.采用等离子体增强化学气相沉积法，在所述底电极上制备8-10nm厚的所述第一水溶性介质材料，制备条件为：甲硅烷的纯度为2％，甲硅烷与氮气的流量比为200:2，得到所述第一水溶性介质层，其中，所述第一水溶性介质材料包括sinx。
27.在本发明的一个实施例中，步骤s3包括：
28.在射频溅射模式下，在所述第一水溶性介质层上沉积10-12nm厚的所述第二水溶性介质材料，得到所述第二水溶性介质层，其中，所述第二水溶性介质材料包括mgo。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果：
30.1、本发明的物理瞬态的可重构型忆阻器中，采用双层水溶性介质材料作为器件的阻变功能层，并且采用水溶性金属材料作为底电极，使得忆阻器可溶于水溶液中，当存内计算芯片的应用环境受到威胁，只需将其暴露在水溶液的触发式环境中就可保障存储在忆阻器阵列中的信息不被泄漏，赋予其特定环境中的应变能力从而保障信息安全。
31.2、本发明的物理瞬态的可重构型忆阻器中，选用金属mg、ag或cu充当顶电极，金属w或mo充当惰性底电极，避免了au、pt等贵金属的使用，能够显著降低可重构忆阻器的制备成本。
附图说明
32.图1为本发明实施例提供的一种物理瞬态的可重构型忆阻器的结构示意图；
33.图2为本发明实施例提供的一种物理瞬态的可重构型忆阻器的制备方法的流程示意图；
34.图3为本发明实施例提供的一种物理瞬态的可重构型忆阻器的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
36.实施例一
37.本实施例面向大数据时代下日趋严峻的信息安全问题，针对忆阻式类脑存内计算芯片设计，提出了一种以水溶液为触发环境的低成本物理瞬态可重构忆阻器。
38.请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种物理瞬态的可重构型忆阻器的结构示意图。该可重构型忆阻器可溶于水溶液中，包括：衬底1、底电极2、阻变功能层3和若干顶电极4。其中，底电极2位于衬底1上，底电极2采用水溶性金属材料。阻变功能层3包括第一水溶性介质层31和第二水溶性介质层32，第一水溶性介质层31位于底电极2上，第二水溶性介质层32位于第一水溶性介质层31上；第一水溶性介质层31的材料包括第一水溶性介质材料，第二水溶性介质层32的材料包括第二水溶性介质材料。若干顶电极4阵列分布在第二水溶性介质层32上。
39.具体的，底电极2、第一水溶性介质层31、第二水溶性介质层32均选用可水解电子材料，将器件浸泡在水溶液环境中就可触发器件的应激反应。
40.进一步的，水溶液指包含水的液体，包括但不限于水或者磷酸盐缓冲液，优选的，水溶液采用水。由于水是生活中的常见元素，选择水溶液为触发环境简洁实用、可操作性强，直接赋予了器件以紧急状况下的应变能力。
41.在一个具体实施例中，衬底1可以为si衬底，也可以为sio2/si衬底。
42.在一个具体实施例中，水溶性金属材料包括w、mo中的任一种，即底电极2的材料可
以选用水溶性金属w，也可以选用水溶性金属mo。底电极2的厚度为90-100nm。
43.在一个具体实施例中，第一水溶性介质材料包括sinx，第一水溶性介质层31的厚度为8-10nm。
44.在一个具体实施例中，第二水溶性介质材料包括mgo，第二水溶性介质层32的厚度为10-12nm。
45.在一个具体实施例中，顶电极4的材料包括ag、mg、cu中的任一种，厚度为90-100nm。顶电极4的形状包括圆形或者方形；当顶电极4的形状为方形时，每个顶电极4的边长为50-100μm，相邻顶电极4之间的距离为100-200μm；顶电极4的形状为圆形时，每个顶电极4的直径为50-100μm，相邻顶电极4之间的距离为100-200μm。
46.本实施例的物理瞬态的可重构型忆阻器在发挥忆阻器高效低耗的类脑计算优势的同时，采用双层水溶性介质材料作为器件的阻变功能层，并且采用水溶性金属材料作为底电极，使得忆阻器可溶于水溶液中，当存内计算芯片的应用环境受到威胁，只需将其暴露在水溶液的触发式环境中就可保障存储在忆阻器阵列中的信息不被泄漏，赋予其特定环境中的应变能力从而保障信息安全。
47.本实施例的物理瞬态的可重构型忆阻器中，选用金属mg、ag或cu充当顶电极，金属w或mo充当惰性底电极，避免了au、pt等贵金属的使用，能够显著降低可重构忆阻器的制备成本。
48.实施例二
49.在实施例一的基础上，本实施例提供了一种物理瞬态的可重构型忆阻器的制备方法。
50.请参见图2和图3，图2为本发明实施例提供的一种物理瞬态的可重构型忆阻器的制备方法的流程示意图，图3为本发明实施例提供的一种物理瞬态的可重构型忆阻器的制备方法的过程示意图。
51.该制备方法包括步骤：
52.s1、在衬底1上制备水溶性金属材料，得到底电极2，如图3(a)所示。
53.具体的，采用直流磁控溅射方法，在衬底1上制备90-100nm厚的水溶性金属材料，得到底电极2。其中，水溶性金属材料包括w、mo中的任一种。
54.s2、在底电极2上沉积第一水溶性介质材料，得到第一水溶性介质层31，如图3(b)所示。
55.具体的，采用等离子体增强化学气相沉积法，在底电极2上制备8-10nm厚的第一水溶性介质材料，制备条件为：甲硅烷(sih4，纯度为2％)与氮气(n2)的流量比为200:2，得到第一水溶性介质层31。其中，第一水溶性介质材料包括sinx。
56.s3、在第一水溶性介质层31上沉积第二水溶性介质材料，得到第二水溶性介质层32，第一水溶性介质层31和第二水溶性介质层32形成阻变功能层3，如图3(c)所示。
57.具体的，在射频溅射模式下，在第一水溶性介质层31上沉积10-12nm厚的第二水溶性介质材料，得到第二水溶性介质层32，其中，第二水溶性介质材料包括mgo。
58.s4、在第二水溶性介质层32上沉积阵列分布的若干顶电极4，得到可重构型忆阻器，可重构型忆阻器可溶于水溶液中。
59.具体的，首先，将物理掩膜版固定在第二水溶性介质层32上，如图3(d)所示，其中，
物理掩模版上开设有阵列排布的若干开口，开口的形状可以为圆形，也可以为方形。当开口的形状为圆形时，每个开口的直径为50-100μm，相邻开口之间的距离为100-200μm。当开口的形状为方形时，每个开口的边长为50-100μm，相邻开口之间的距离为100-200μm。然后，选用磁控溅射直流模式，在第二水溶性介质层32上沉积90-100nm厚的金属ag、mg或cu，得到若干顶电极4，形成顶电极阵列，如图3(e)所示，完成可重构忆阻器的制备。
60.需要注意的是，当顶电极4的材料选择mg时，mg为水溶性金属材料，此时，底电极2、阻变功能层3和顶电极4均可溶于水溶液，极大提高了器件的应变能力，进而保护了存内计算芯片中所存储的数据信息不被泄漏。
61.进一步的，将可重构忆阻器浸泡在水溶液中，忆阻器会逐渐无法实现阻值转换，从而实现功能自毁，伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失，如图3(f)和3(g)所示。
62.本实施例的可重构忆阻器的材料结构设计简洁，无需引入复杂的材料制备过程，制备工艺简洁高效。
63.实施例三
64.在实施例二的基础上，本实施例以w作为底电极，ag作为顶电极，sinx/mgo为阻变功能层对可重构型忆阻器的制备方法进行进一步说明。
65.该制备方法包括步骤：
66.s1、在衬底2上制备水溶性金属材料，得到底电极2，如图3(a)所示。
67.首先，选用si基衬底1并进行清洗，分别使用丙酮、异丙醇各超声3-5分钟，随后用去离子水冲洗5分钟，并使用氮气枪吹干；然后，将清洗完成的样片使用胶带固定在溅射托盘上，采用磁控溅射直流模式在样片上以室温条件制备100nm厚的金属w作为底电极2。
68.s2、在底电极2上制备sinx/mgo双层水溶性介质作为阻变功能层3。
69.首先，采用等离子体增强化学气相沉积法在底电极w上制备10nm厚的氮化硅sinx，如图3(b)所示，制备条件为：甲硅烷(sih4，纯度为2％)与氮气(n2)的流量比为200:2。
70.然后，在射频溅射模式下在第一水溶性介质sinx上继续沉积10nm厚的水溶性介质mgo，如图3(c)所示。
71.s3、在sinx/mgo双层阻变功能层3上制备若干顶电极4。
72.首先，将物理掩膜版固定在第二水溶性介质层32上，如图3(d)所示；采用磁控溅射直流模式在样片上制备80nm厚的活性金属ag作为顶电极4，如图3(e)所示，完成可重构忆阻器的制备。
73.在得到可重构忆阻器后，将样片浸泡在室温下的去离子水中，如图3(f)所示，本实施例中选择去离子水作为触发环境，但不限于该种溶液，每隔30秒使用氮气枪将样片吹干，随后使用半导体电学参数分析仪对器件的电流-电压特性进行测试，评估器件在不同限制电流下的易失性和非易失性存储特征，当器件无法实现阻值转换，器件完成功能自毁，伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失，如图3(g)所示。
74.本实施例在对忆阻器进行测试时，设定限制电流以保护器件不被击穿，通过调控限制电流来实现易失性和非易失性存储的往复转换，与增加偏置电压来实现易失性向非易失性的转变相比，调控限制电流极大的发挥了忆阻器的节能低耗优势。
75.实施例四
76.在实施例二的基础上，本实施例以w作为底电极，mg作为顶电极，sinx/mgo为阻变功能层对可重构型忆阻器的制备方法进行进一步说明。
77.该制备方法包括步骤：
78.s1、在衬底1上制备水溶性金属材料，得到底电极2，如图3(a)所示。
79.首先，选用si基衬底1并进行清洗，分别使用丙酮、异丙醇各超声3-5分钟，随后用去离子水冲洗5分钟，并使用氮气枪吹干；然后，将清洗完成的样片使用胶带固定在溅射托盘上，采用磁控溅射直流模式在样片上以室温条件制备80nm厚的金属w作为底电极2。
80.s2、在底电极2上制备sinx/mgo双层水溶性介质作为阻变功能层3。
81.首先，采用等离子体增强化学气相沉积法在底电极w上制备8nm厚的氮化硅sinx，如图3(b)所示，制备条件为：甲硅烷(sih4，纯度为2％)与氮气(n2)的流量比为200:2。
82.然后，在射频溅射模式下在第一水溶性介质sinx上继续沉积12nm厚的水溶性介质mgo，如图3(c)所示。
83.s3、在sinx/mgo双层阻变功能层3上制备若干顶电极4。
84.首先，将物理掩膜版固定在第二水溶性介质层32上，如图3(d)所示；采用磁控溅射直流模式在样片上制备100nm厚的活性金属mg作为顶电极4，如图3(e)所示，完成可重构忆阻器的制备。
85.在得到可重构忆阻器后，将样片浸泡在室温下的水溶液中，如图3(f)所示，本实例中选择磷酸盐缓冲液作为触发环境，但不限于该种溶液，每隔30秒使用氮气枪将样片吹干，随后使用半导体电学参数分析仪对器件的电流-电压特性进行测试，评估器件在不同限制电流下的易失性和非易失性存储特征，当器件无法实现阻值转换，器件完成功能自毁，伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失，如图3(g)所示。其中，磷酸盐缓冲液的主要成分包括：磷酸二氢钠、磷酸氢二钠以及氯化钠，浓度为0.01mol/l，ph值约为7.2～7.4。
86.实施例五
87.在实施例二的基础上，本实施例以mo作为底电极，cu作为顶电极，sinx/mgo为阻变功能层对可重构型忆阻器的制备方法进行进一步说明。
88.该制备方法包括步骤：
89.s1、在衬底1上制备水溶性金属材料，得到底电极2，如图3(a)所示。
90.首先，选用sio2/si基衬底1并进行清洗，分别使用丙酮、异丙醇各超声5分钟，随后用去离子水冲洗5分钟，并使用氮气枪吹干；然后，将清洗完成的样片使用胶带固定在溅射托盘上，采用磁控溅射直流模式在样片上以室温条件制备100nm厚的金属mo作为底电极2。
91.s2、在底电极2上制备sinx/mgo双层水溶性介质作为阻变功能层3。
92.首先，采用等离子体增强化学气相沉积法在底电极mo上制备8nm厚的氮化硅sinx，如图3(b)所示，制备条件为：甲硅烷(sih4，纯度为2％)与氮气(n2)的流量比为200:2。
93.然后，在射频溅射模式下在第一水溶性介质sinx上继续沉积10nm厚的水溶性介质mgo，如图3(c)所示。
94.s3、在sinx/mgo双层阻变功能层3上制备若干顶电极4。
95.首先，将物理掩膜版固定在第二水溶性介质层32上，如图3(d)所示；采用磁控溅射直流模式在样片上制备100nm厚的活性金属cu作为顶电极4，如图3(e)所示，完成可重构忆
阻器的制备。
96.在得到可重构忆阻器后，将样片浸泡在室温下的去离子水中，如图3(f)所示，本实施例中选择去离子水作为触发环境，但不限于该种溶液，每隔1分钟使用氮气枪将样片吹干，随后使用半导体电学参数分析仪对器件的电流-电压特性进行测试，评估器件在不同限制电流下的易失性和非易失性存储特征，当器件无法实现阻值转换，器件完成功能自毁，伴随溶解过程的继续进行，器件最终实现物理形态的消失，如图3(g)所示。
97.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。