氧化铪基隧道结忆阻器及其神经突触仿生特性研究

Doped HfO2 thin film is a novel ferroelectric material, which has the advantage of being compatible with advanced CMOS process and capable of scalability. This project is for basic science problems of brain-like chip technology innovation. It is of great practical significance and application prospect to carry out the study of doped HfO2 ferroelectric tunnel junction memristors with three-dimensional stack structure and its function in neuromorphic system, and related research has just started. In this project, the influence of different doping types and annealing conditions on the characteristics of HfO2-based ferroelectric tunneling devices will be studied by the precise control ability of the atomic layer deposition and microwave annealing technology. The physical mechanism of HfO2-based ferroelectric tunnel junctions is studied from the perspective of crystal structure, quantum tunneling, stress effect and interface barrier. This project will also study the approaches to the HfO2-based ferroelectric materials ferroelectric generation and maintenance. Through the study of correlation among material, process and physical structure and device performance, the key factors influencing the electrical performance of HfO2-based ferroelectric tunneling are analyzed, and the theoretical method of regulating the performance of the device is obtained. Based on the design of three-dimensional device structure and the advanced nano-detection technology, the synaptic function, micro-theory and degeneration mechanism of synaptic devices in high-density HfO2-based ferroelectric tunneling are studied, which provides scientific basis for preparing synaptic devices with stable performance in future neuromorphic applications.

本项目面向类脑芯片开发的基础科学问题，开展具有三维堆叠结构的掺杂氧化铪铁电隧道结忆阻器件及其神经突触仿生功能的研究，具有重要的创新意义和应用前景。掺杂氧化铪薄膜是一类新型铁电材料，具有与先进CMOS工艺兼容且可缩微能力强的优势。本项目将借助原子层淀积技术与微波退火技术的精确控制能力，研究不同掺杂类型与退火条件对氧化铪基铁电隧道结器件特性的影响，掌握氧化铪基铁电材料的铁电性产生与保持的关键要素，并从晶体结构、量子隧穿、应力效应、界面势垒等角度研究氧化铪基铁电隧道结的物理机制。通过材料、工艺和物理结构与器件性能与相关性研究，探索影响器件电学性能与“学习记忆”行为的基本原理，获取对器件性能进行调控的理论方法，提取器件模型。采用三维器件结构的设计与先进纳米探测技术，研究高密度氧化铪基铁电隧道结忆阻器件中通用神经突触仿生功能以及退化机制，为制备性能稳定性的神经突触器件提供科学依据。

本项目从氧化铪基隧道结忆阻器着手进行研究，包括薄膜制备工艺调整，实验制备测试以及神经突触特性建模实现，开展了一系列的研究工作。主要研究内容如下：.[1].通过原子层沉积工艺和物理气相沉积工艺。我们在Si/SiO2衬底上成功制备了三维导电桥式氧化铪基阻变忆阻器和新型的三维垂直堆栈式铁电掺锆氧化铪基隧道结铁电器件。对器件进行了成分表征，使用Agilent B1500A电学测试平台对于氧化铪基阻变忆阻器件性能进行电学表征，使用Premier II型铁电测试仪对氧化铪基隧道结铁电器件进行铁电性表征。研究表明基于金属导电桥接的Ag/HfO2/Pt器件表现出较大的存储窗口（>10E3）、多值存储特性以及更低的瞬态功耗（100 µW/20 µW），有利于实现神经突触仿生。CMOS工艺兼容的三维垂直堆栈式铁电铪锆氧（FE-HZO）基FTJ器件表现出典型的铁电特性，包括2 MV/cm的矫顽电场以及16 µC/cm2的铁电剩余极化。在不同的编程条件下，FE-HZO基FTJ表现出相比于RRAM更高的电学稳定性和可靠性，尤其是在100 ns编程速度下可以稳定运行达10E3周期。相比于之前的报道，FE-HZO基FTJ在快速、低功耗非易失性存储领域更具优势。..[2].基于以上研究结果，本项目进一步探索了三维HfO2基导电桥接RRAM以及新型的三维垂直堆栈式铁电掺锆氧化铪FE-HZO基FTJ在神经突触仿生的应用。实现了HfO2基导电桥接神经突触器件在诸如短时/长时可塑性、LTP/LTD特性等神经突触功能仿生。证明了FE-HZO基铁电隧道结突触器件的综合性生物突触行为，实现了其LTP/LTD特性、Hebbian STDP和anti-Hebbian STDP学习规则等神经突触功能模拟。结合软件建模计算，还进一步实现了FE-HZO基铁电隧道结突触阵列的图像分类功能。器件突触权重调节过程中的平均能耗仅为1.8 pJ/spike，并表现出很好的容错性，神经网络的识别率高达96 %以上。