一种高耐久存算一体器件及其制备方法

本发明涉及半导体，具体涉及一种高耐久存算一体器件及其制备方法。

背景技术：

1、现代计算机均基于冯诺依曼式计算架构，面临着存储与计算分离的问题，在数据的频繁移动和传输的情况下会产生时间的延迟以及算力的受限。虽然通过高密度集成与尺寸微缩等方式可以在一定程度上缓解算力问题，但受限于物理极限，这些方法是难以可持续发展的。因此，需要从源头探索新型的存算一体技术，利用电子器件兼顾存储与计算功能，从而解决计算瓶颈的问题。

2、铁电存储器作为集成电路中一种具有潜力的存储元件，展现出高可靠性、高耐久性以及低功耗等优势。然而，pb(zr1-xtix)o3、srbi2ta2o9(sbt)、bi4ti3o12(bto)等钙钛矿型传统的铁电材料cmos工艺兼容性差，难以直接应用于集成电路产业线。铪基铁电材料作为一种新型的氧化物基半导体材料，可以完美与cmos工艺兼容，具有应用于大规模集成电路的潜力。

3、铪基铁电材料仅通过锆、铝、硅、镧等元素的掺杂以及退火结晶工艺处理，便可简单地获得具有铁电滞回窗口的存储器件。然而，受限于氧空位积累等因素导致的擦写次数、存储窗口衰减等问题，难以满足存算一体的权重迭代需求，即铪基铁电存储器仍有较大的提升改进空间。令人欣喜的是，通过掺杂元素浓度的调控，可以将铪基铁电特性调控为反铁电特性，器件也可展现出优异的耐久潜力，非常适合应用于存算一体应用场景，为存算一体技术提供了一种关键的电子器件。

技术实现思路

1、本发明公开一种高耐久存算一体器件，包括：衬底；底层电极，形成在所述衬底上，沿第一方向排列；hf基掺杂薄膜/四(乙基甲基氨基)锆薄膜叠层，包括两周期以上循环，形成在所述底层电极上，其中，四(乙基甲基氨基)锆薄膜用于实现对hf基掺杂薄膜的锆元素掺杂，对hf基掺杂薄膜形成夹持效果，诱导整体薄膜产生反铁电特性；顶层电极，形成在所述hf基掺杂薄膜/四(乙基甲基氨基)锆薄膜叠层上，沿第二方向排列，与所述底层电极呈垂直交叠；以顶层电极作为神经形态器件的前端，以底层电极作为神经形态器件的后端，在顶层电极施加脉冲激励，在底层电极捕捉电流，用以读取器件的权重状态，实现连续可调的反铁电存算一体权重调控功能。

2、本发明的高耐久存算一体器件中，优选为，所述hf基掺杂薄膜为hfalox薄膜，hftiox薄膜、hfsiox薄膜或hflaox薄膜。

3、本发明还公开一种高耐久存算一体器件制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成底层电极，其沿第一方向排列；在所述底层电极上形成hf基掺杂薄膜/四(乙基甲基氨基)锆薄膜叠层，其包括两周期以上循环，其中，四(乙基甲基氨基)锆薄膜用于实现对hf基掺杂薄膜的锆元素掺杂，对hf基掺杂薄膜形成夹持效果，诱导整体薄膜产生反铁电特性；在所述hf基掺杂薄膜/四(乙基甲基氨基)锆薄膜叠层上形成顶层电极，其沿第二方向排列，与所述底层电极呈垂直交叠；在n2氛围下进行快速热退火，完成高耐久存算一体器件，以顶层电极作为神经形态器件的前端，以底层电极作为神经形态器件的后端，在顶层电极施加脉冲激励，在底层电极捕捉电流，用以读取器件的权重状态，实现连续可调的反铁电存算一体权重调控功能。

4、本发明的高耐久存算一体器件制备方法中，优选为，所述hf基掺杂薄膜为hfalox薄膜，hftiox薄膜、hfsiox薄膜或hflaox薄膜。

5、本发明的高耐久存算一体器件制备方法中，优选为，所述快速热退火的温度为450℃～650℃，退火时长为30秒～5分钟。

6、本发明的高耐久存算一体器件制备方法中，优选为，利用原子层沉积方法生长第一层hf基掺杂薄膜hfmox薄膜，先生长氧化铪薄膜，再生长mox薄膜；采用原子层沉积方法生长第一层四(乙基甲基氨基)锆薄膜；利用原子层沉积技术生长第二层hf基掺杂薄膜hfmox薄膜，先生长mox薄膜，再生长氧化铪薄膜；采用原子层沉积方法生长第二层四(乙基甲基氨基)锆薄膜。

7、本发明的高耐久存算一体器件制备方法中，优选为，所述mox薄膜与所述氧化铪薄膜的生长周期比为25:1～38:1。

8、本发明的高耐久存算一体器件制备方法中，优选为，所述四(乙基甲基氨基)锆薄膜的生长周期为5周期～20周期。

9、有益效果：

10、(1)打破传统的冯诺依曼式计算架构，从器件源头设计的角度实现存储与计算的兼容，避免信号传输过程中的能耗损失与时间延时，极大程度地提高了计算效率。

11、(2)通过引入铪基材料体系作为铁电、反铁电功能层，实现cmos工艺兼容的器件制备，避免了传统钙钛矿型铁电材料的污染问题以及集成电路工艺不兼容的问题。

12、(3)通过原子层沉积精准掺杂调控铪基薄膜的元素掺杂比例，获得具有反铁电特性的铪基器件，优化了功能层中的有效氧空位浓度，解决了铁电铪基器件耐久性差的问题，高耐久的器件非常适合于存算一体系统的权重迭代。

技术特征：

1.一种高耐久存算一体器件，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的高耐久存算一体器件，其特征在于，

3.一种高耐久存算一体器件制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的高耐久存算一体器件制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的高耐久存算一体器件制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求3所述的高耐久存算一体器件制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的高耐久存算一体器件制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的高耐久存算一体器件制备方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开一种高耐久存算一体器件及其制备方法。该器件包括：衬底；底层电极，形成在衬底上，沿第一方向排列；Hf基掺杂薄膜/四(乙基甲基氨基)锆薄膜叠层，包括两周期以上循环，形成在底层电极上，其中，四(乙基甲基氨基)锆薄膜用于实现对Hf基掺杂薄膜的锆元素掺杂，对Hf基掺杂薄膜形成夹持效果，诱导整体薄膜产生反铁电特性；顶层电极，形成在Hf基掺杂薄膜/四(乙基甲基氨基)锆薄膜叠层上，沿第二方向排列，与底层电极呈垂直交叠；以顶层电极作为神经形态器件的前端，以底层电极作为神经形态器件的后端，在顶层电极施加脉冲激励，在底层电极捕捉电流，用以读取器件的权重状态，实现连续可调的反铁电存算一体权重调控功能。

技术研发人员：王天宇,孟佳琳,陈琳,孙清清,张卫
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21