一种蘑菇型结构神经突触仿生器件

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种蘑菇型结构神经突触仿生器件。

背景技术：

神经突触是人类大脑学习和记忆的最小单元，它通过接受外部刺激信号使得神经元实现兴奋和抑制行为，从而输入和输出信号。神经突触学习功能的仿生模拟被认为是实现人工神经网络的重要手段。突触器件主要用于连接神经元，其性能伪劣直接影响着人工神经网络处理的效率和准确性。lu等人发现了一种基于纳米硅的忆阻器，可以模拟神经突触基本性质，具有高效的计算方式和密度（nanoletters,2010,10(4):1297-1301）。wang等人提出了一种基于非晶态ingazno的神经突触仿生器件，能够实现短时程抑制（stp）和长时程增强（ltp）神经突触基本性质（advancedfunctionalmaterials,2012,22(13):2759-2765）。随着神经突触器件的不断发展，速度和功耗逐渐成为基于传统氧化物忆阻器发展的技术瓶颈。为此，相关领域研究人员不断努力尝试以期探索出能在神经突触仿生器件中应用的新材料。

硫系化合物材料在非晶态和晶态之间存在着较大电阻差异，相变存储器正是利用这种高低阻值在电脉冲作用下的纳秒级转换来实现信息的写入和擦除，信息的读出与测量材料电阻的大小相关。当前用于相变存储器的存储介质主要以ge2sb2te5为主，但由于ge2sb2te5材料的相变温度仅为160℃、操作速度难以达到50ns，reset电流处在ma量级，且te极具污染性，这些缺点限制了ge2sb2te5材料在突触器件中实用化。zn-sb是由麻省理工学院taejinpark发现的可用于非易失性存储器的相变材料，通过调节zn和sb的原子百分比可以调控zn-sb材料的材料电阻，其set速度和reset电流分别为140ns和9.6ma，较慢的相变速度和较大的编程电流阻碍了zn-sb相变材料在相变存储器和突触器件中的应用（japanesejournalofappliedphysics,46(2007)l543-l545）。

中国专利cn106206943b公开了一种氮掺杂改性的相变薄膜材料及其制备方法，在zn-sb材料中掺入外来n原子可以提高材料的相变温度，然而过多的n原子掺入将导致zn15sb85失去相变性能，从而无法用于相变存储器和突触器件。此外，掺n后的zn-sb材料set速度仍在100ns以上，相变速度依然较慢。要想使zn-sb相变材料能真正可以应用于相变存储器和突触器件中，必须通过更为合适的掺杂改性手段来优化相变材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有神经突触仿生器件在速度和功耗方面的技术不足，提供一种蘑菇型结构神经突触仿生器件。

本发明的技术方案为：一种蘑菇型结构神经突触仿生器件，是采用0.13μmcmos工艺制备而得的蘑菇型结构，该器件结构自下至上依次包括si(100)基片制备的衬底、al材料底电极、sio2中间介质层、在中间介质层上形成的w加热电极、ti-zn-sb存储介质层、tin粘附层和al材料顶电极。

进一步地，ti-zn-sb存储介质层材料由ti、zn、sb三种元素组成，其化学组成符合化学通式tix(znysb100-y)1-x，其中，0.01<x<0.3，10<y<90。

进一步地，tix(znysb100-y)1-x相变材料作为神经突触仿生器件中的存储介质，可以在5~500ns电信号脉冲宽度作用下实现多态阻值之间的转换，其中间态电阻值能够提供约8bit的分辨率，开关电阻差异约为2个数量级。

进一步地，该神经突触仿生器件的单元尺寸为长50μm、宽50μm、高1μm。

进一步地，w加热电极为圆柱体结构，其直径为150-250nm、高为300-600nm；tin粘附层厚度为15-25nm；ti-zn-sb存储介质层厚度为30~100nm，ti-zn-sb存储介质层的直径大于w加热电极的直径。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1.tix(znysb100-y)1-x相变材料属于生长占优型的结晶机制，具有阻值转换速度快的有点，基于tix(znysb100-y)1-x相变材料制作的神经突触仿生器件可以在5~500ns电信号脉冲宽度作用下实现多态阻值之间的转换。

2.本发明公开的蘑菇型结构神经突触仿生器件的中间态电阻值能够提供约8bit的分辨率，开关电阻差异约为2个数量级；在相同脉冲操作下可以实现电阻对脉冲个数的线性响应，符合突触仿生器件的电学性质要求。

3.由于tix(znysb100-y)1-x材料具备阻值转变速度快、电阻率大、电导率显著下降的优点，所以基于此制备的神经突触仿生器具有快速低功耗特性。

附图说明

图1为实施例1制备的蘑菇型结构神经突触仿生器件的结构示意图；

图2为对比例1制备的蘑菇型结构神经突触仿生器件的结构示意图；

图3为实施例1制备的ti0.14(zn15sb85)0.86相变材料及对比例1制备的zn15sb85相变薄膜的原位电阻与温度的关系曲线；

图4为实施例1制备的ti0.14(zn15sb85)0.86相变材料及对比例1制备的zn15sb85相变薄膜结晶激活能的测试结果图，其内插图为ti0.14(zn15sb85)0.86在不同升温速率下的原位电阻与温度的关系曲线。

图5为实施例1制备的蘑菇型结构神经突触仿生器件在50ns电脉冲作用下器件电阻对脉冲个数的线性响应图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

本实施例提供一种基于ti0.14(zn15sb85)0.86存储介质的蘑菇型结构神经突触仿生器件，结构如图1所示，存储介质的厚度为50nm，具体制备步骤为：

1.清洗190nmw柱子底电极基片，去除基片表面的灰尘颗粒、有机与无机杂质：

（a）将基片置于丙酮溶液中，用强超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗5分钟；

（b）将基片置于乙醇溶液中，用强超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗5分钟；

（c）取出基片，用高纯n2吹干表面和背面，放置在60℃恒温干燥箱内待烘干；

2.采用磁控溅射方法制备纳米复合ti0.14(zn15sb85)0.86相变薄膜和tin粘附层薄膜：

（a）利用多靶磁控溅射系统沉积相变薄膜材料，腔体本底真空度低于1×10^-4pa，溅射气体为高纯ar气，溅射气体流量为30sccm，溅射气压为0.25pa，溅射温度低于25℃。应用同靶位双靶材共溅射方法，即将zn15sb85合金靶材放在溅射仪的靶位上，在zn15sb85靶上面粘贴放置三块半径20mm，厚度2mm，圆心角为30°的扇形ti靶材，使三块ti靶材圆心重合。靶材溅射功率为交流20w，设置溅射时间使得ti0.14(zn15sb85)0.86相变薄膜厚度为50nm；

（b）利用磁控溅射法沉积tin粘附层薄膜，腔体本底真空度低于1×10^-4pa，溅射气体为高纯ar气，溅射气体流量为30sccm，溅射气压为0.25pa，溅射温度低于25℃。tin靶功率为直流20w，设置溅射时间使得tin粘附层薄膜厚度为10nm。

3.清洗薄膜，去除薄膜表面有机污染物和杂质颗粒：

（a）在丙酮溶液中浸泡10分钟，用去离子水冲洗2分钟；

（b）在乙醇溶液中浸泡10分钟，用去离子水冲洗2分钟；

（c）用高纯n2吹干表面和背面，放置在60℃恒温干燥箱去除水汽。

4.ti0.14(zn15sb85)0.86相变薄膜和tin薄膜的图形化：

（a）在基片上旋涂光刻胶，匀胶机转速为2500r/min，时间60s；

（b）利用热板将基片在100℃下烘烤10分钟以固化光刻胶；

（c）用丙酮和乙醇分别清洗掩膜版，采用曝光机进行紫外曝光10s，曝光精度为2μm；

（d）在四甲基氢氧化氨（mf320）中显影6-10s，显影后立即将基片用离子水漂洗，并用n2吹干。

5.ti0.14(zn15sb85)0.86相变薄膜和tin薄膜的刻蚀：

（a）tin薄膜的刻蚀：刻蚀气体采用cf4和o2，气体流量分别为20sccm和2sccm，气压为60mtorr，功率为200w，刻蚀时间为80s；

（b）ti0.14(zn15sb85)0.86相变薄膜的刻蚀：刻蚀气体采用cf4和ar，气体流量分别为20sccm和40sccm，气压为50mtorr，功率为200w，刻蚀时间为150s；

（c）在高倍光学显微镜下观察刻蚀后的样品表面形貌，检查刻蚀图形完整性。

6.ti0.14(zn15sb85)0.86相变薄膜和tin薄膜刻蚀后去除光刻胶：

（a）将基片置于丙酮溶液中浸泡20分钟，去离子水冲洗；

（b）将基片置于乙醇溶液中浸泡10分钟，去离子水冲洗，用n2吹干；

（c）将基片放置在80℃恒温干燥箱中烘干30分钟去除表面水汽。

7.制备顶电极al薄膜：

（a）采用超高真空电子束蒸发系统沉积200nm的al电极薄膜材料。

8.顶电极al薄膜的图形化：

（a）将沉积好的al薄膜的基片在丙酮浸泡10分钟，用去离子水冲洗2分钟；

（b）再在乙醇溶液中浸泡10分钟，用去离子水冲洗2分钟；

（c）最后用高纯n2吹干表面和背面，放置在60℃恒温干燥箱去除水汽。

（d）在基片上旋涂光刻胶，匀胶机转速为2500r/min，时间60s；

（e）利用热板将基片在100℃下烘烤5分钟以固化光刻胶；

（f）用丙酮和乙醇分别清洗掩膜版，采用曝光机进行紫外曝光10s，曝光精度为2μm；

（g）在四甲基氢氧化氨（mf320）中显影6-10s，显影后立即将基片用离子水漂洗，并用n2吹干；

（h）在高倍光学显微镜下观察显影后器件单元图形的表面形貌，检查图形完整性。

（i）后烘坚膜：将基片置于100℃的热板上烘烤10min使得光刻胶固化。

9.al电极薄膜的刻蚀

（a）采用水浴加热的方式将装在烧杯中的浓磷酸升温至60℃，并保温；

（b）将器件基片置于热磷酸中浸泡3-5分钟，再用去离子水冲洗，最后用n2吹干；

（c）在高倍光学显微镜下观察刻蚀后器件的表面形貌，检查刻蚀图形完整性。

10.去除光刻胶

（a）将器件基片在丙酮溶液中浸泡20分钟，去离子水冲洗；

（b）将器件基片置于乙醇溶液中浸泡10分钟，去离子水冲洗，用n2吹干；

（c）将器件基片放置在80℃恒温干燥箱中烘干30分钟去除表面水汽。

对比例1

本对比例提供一种基于zn15sb85存储介质的蘑菇型结构神经突触仿生器件，结构如图2所示，存储介质的厚度为50nm，具体制备步骤为：

1.清洗190nmw柱子底电极基片，去除基片表面的灰尘颗粒、有机与无机杂质：

（a）将基片置于丙酮溶液中，用强超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗5分钟；

（b）将基片置于乙醇溶液中，用强超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗5分钟；

（c）取出基片，用高纯n2吹干表面和背面，放置在60℃恒温干燥箱内待烘干。

2.采用磁控溅射方法制备纳米复合zn15sb85相变薄膜和tin粘附层薄膜：

（a）利用多靶磁控溅射系统沉积相变薄膜材料，腔体本底真空度低于1×10^-4pa，溅射气体为高纯ar气，溅射气体流量为30sccm，溅射气压为0.25pa，溅射温度低于25℃。将zn15sb85合金靶材放在溅射仪的靶位上，靶材溅射功率为交流20w，设置溅射时间使得zn15sb85相变薄膜厚度为50nm；

（b）利用磁控溅射法沉积tin粘附层薄膜，腔体本底真空度低于1×10^-4pa，溅射气体为高纯ar气，溅射气体流量为30sccm，溅射气压为0.25pa，溅射温度低于25℃。tin靶功率为直流20w，设置溅射时间使得tin粘附层薄膜厚度为10nm。

3.清洗薄膜，去除薄膜表面有机污染物和杂质颗粒：

（a）在丙酮溶液中浸泡10分钟，用去离子水冲洗2分钟；

（b）在乙醇溶液中浸泡10分钟，用去离子水冲洗2分钟；

（c）用高纯n2吹干表面和背面，放置在60℃恒温干燥箱去除水汽。

4.zn15sb85相变薄膜和tin薄膜的图形化：

（a）在基片上旋涂光刻胶，匀胶机转速为2500r/min，时间60s；

（b）利用热板将基片在100℃下烘烤10分钟以固化光刻胶；

（c）用丙酮和乙醇分别清洗掩膜版，采用曝光机进行紫外曝光10s，曝光精度为2μm；

（d）在四甲基氢氧化氨（mf320）中显影6-10s，显影后立即将基片用离子水漂洗，并用n2吹干。

5.zn15sb85相变薄膜和tin薄膜的刻蚀：

（a）tin薄膜的刻蚀：刻蚀气体采用cf4和o2，气体流量分别为20sccm和2sccm，气压为60mtorr，功率为200w，刻蚀时间为80s；

（b）zn15sb85相变薄膜的刻蚀：刻蚀气体采用cf4和ar，气体流量分别为20sccm和40sccm，气压为50mtorr，功率为200w，刻蚀时间为150s；

（c）在高倍光学显微镜下观察刻蚀后的样品表面形貌，检查刻蚀图形完整性。

6.zn15sb85相变薄膜和tin薄膜刻蚀后去除光刻胶：

（a）将基片置于丙酮溶液中浸泡20分钟，去离子水冲洗；

（b）将基片置于乙醇溶液中浸泡10分钟，去离子水冲洗，用n2吹干；

（c）将基片放置在80℃恒温干燥箱中烘干30分钟去除表面水汽。

7.制备顶电极al薄膜：

（a）采用超高真空电子束蒸发系统沉积200nm的al电极薄膜材料。

8.顶电极al薄膜的图形化：

（a）将沉积好的al薄膜的基片在丙酮浸泡10分钟，用去离子水冲洗2分钟；

（b）再在乙醇溶液中浸泡10分钟，用去离子水冲洗2分钟；

（c）最后用高纯n2吹干表面和背面，放置在60℃恒温干燥箱去除水汽。

（d）在基片上旋涂光刻胶，匀胶机转速为2500r/min，时间60s；

（e）利用热板将基片在100℃下烘烤5分钟以固化光刻胶；

（f）用丙酮和乙醇分别清洗掩膜版，采用曝光机进行紫外曝光10s，曝光精度为2μm；

（g）在四甲基氢氧化氨（mf320）中显影6-10s，显影后立即将基片用离子水漂洗，并用n2吹干；

（h）在高倍光学显微镜下观察显影后器件单元图形的表面形貌，检查图形完整性。

（i）后烘坚膜：将基片置于100℃的热板上烘烤10min使得光刻胶固化。

9.al电极薄膜的刻蚀

（a）采用水浴加热的方式将装在烧杯中的浓磷酸升温至60℃，并保温；

（b）将器件基片置于热磷酸中浸泡3-5分钟，再用去离子水冲洗，最后用n2吹干；

（c）在高倍光学显微镜下观察刻蚀后器件的表面形貌，检查刻蚀图形完整性。

10.去除光刻胶

（a）将器件基片在丙酮溶液中浸泡20分钟，去离子水冲洗；

（b）将器件基片置于乙醇溶液中浸泡10分钟，去离子水冲洗，用n2吹干；

（c）将器件基片放置在80℃恒温干燥箱中烘干30分钟去除表面水汽。

基于zn15sb85薄膜材料的蘑菇型相变存储器件可以应用于神经突触仿生器件中。

纳米复合tix(znysb100-y)1-x（0.01<x<0.3,10<y<90）相变薄膜的厚度通过场发射扫描电子显微镜（sem）截面观察测试获得，相变薄膜tix(znysb100-y)1-x中ti、zn、sb元素的原子百分比通过sem附件x射线能谱仪（eds）分析而得。

相关性能测试：

图3为实施例1制备的纳米复合ti0.14(zn15sb85)0.86信息功能存储薄膜及对比例1制备的zn15sb85相变存储薄膜在30℃/min的升温速率下进行r-t测试后，得到的相变薄膜的原位电阻和温度的关系曲线图。从图3可以看出，在低温阶段，薄膜的电阻较高，表明薄膜处于非晶态结构。随着温度的升高，薄膜电阻缓慢下降，体现出半导体的温度特性。当温度上升到结晶温度时，薄膜电阻迅速下降。当温度进一步升高，薄膜电阻始终保持低阻不变，表明薄膜处于晶态结构。可见，纳米复合ti0.14(zn15sb85)0.86和zn15sb85相变薄膜在热场作用下均可以完成从非晶结构到多晶态结构的转变，且合金zn15sb85薄膜从未掺杂到掺杂ti元素后，相变结晶温度出现明显提升。不仅如此，纳米复合ti0.14(zn15sb85)0.86薄膜的非晶态电阻和晶态电阻均高于未掺杂ti元素的zn15sb85薄膜，可推断出ti元素的掺入有利于减小zn-sb相变薄膜在set和reset过程中所需的能量损耗。

图4为实施例1制备的纳米复合ti0.14(zn15sb85)0.86信息功能存储薄膜与对比例1制备的zn15sb85相变薄膜采用kissinger方法拟合计算得到的薄膜的结晶激活能，其内插图为ti0.14(zn15sb85)0.86在不同升温速率下的原位电阻与温度的关系曲线。结晶激活能可以直接反应相变薄膜的结晶难易程度，其值越大，薄膜结晶越难。纳米复合ti0.14(zn15sb85)0.86薄膜的结晶激活能为3.37ev，远大于未掺杂ti元素的zn15sb85相变薄膜的3.05ev。可见，ti元素的掺入有助于提高zn-sb相变薄膜的非晶态热稳定性和数据保存能力，实现信息存储更长久和更可靠的功能。

图5显示实施例1制备的蘑菇型结构神经突触仿生器件在50ns电脉冲作用下实现了器件电阻对脉冲个数的线性响应，中间态电阻值能够提供约8bit的分辨率，开关电阻差异约为2个数量级。测试结果表明实施例1制备的蘑菇型结构神经突触仿生器件在相同脉冲操作下可以实现电阻对脉冲个数的线性响应，符合突触仿生器件的电学性质要求。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。