富含氧空位的ZnO中间层对HfO2/ZnO/HfO2突触器件中开关特性及突触功能的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Effects of an oxygen vacancy rich ZnO interlayer on switching characteristics and synaptic functions in HfO2/ZnO/HfO2 synaptic devices

　　

摘要

均匀且渐进的导电性调节是忆阻式突触器件的关键要求。传统的基于HfO₂的忆阻器件往往存在随机导电丝形成以及导电性突然变化的问题，这导致了器件间以及不同工作周期间的巨大差异，同时还使得突触权重调节出现非线性和不对称性。因此，稳定并控制导电丝的形成对于实现可靠的模拟开关功能及突触操作至关重要。在本研究中，我们利用富含氧空位的ZnO作为中间层，研究其对三层结构HfO₂/ZnO/HfO₂突触器件模拟电阻开关特性的影响。沉积在HfO₂薄膜上的ZnO层相比单层ZnO薄膜具有显著更高的结晶度。因此，这种三层结构的突触器件在模拟开关性能上有了明显提升，包括长期增强和抑制效应中的非线性降低，以及趋近于1的不对称比率。通过与总氧化层厚度相同的双层ZnO/HfO₂器件对比，我们确认这些改进源于ZnO在两层HfO₂之间的结构限制，而并非仅由厚度因素造成。该三层器件还在不同的驱动电流下能够保持稳定的多级状态长达10⁴秒，并且可承受10⁶次交流循环测试。此外，这类器件还成功模拟了具有生物学意义的突触可塑性行为，如成对脉冲促进效应和时序依赖性可塑性。利用这些器件参数进行的MNIST图像识别模拟显示，其分类准确率达到了92.87%。Pd/HfO₂/ZnO/HfO₂/Pd器件优异的开关特性归因于夹在两层HfO₂之间的富含氧空位的ZnO中间层，该中间层有助于在连续开关过程中限制导电丝的反复形成与断裂过程中的氧离子迁移。这些研究结果为设计并实现用于神经形态网络应用的可靠突触器件提供了实用指导。

引言

诸如大型语言模型、人工智能和机器学习等数据驱动型应用需要高速计算硬件[1]。传统的冯·诺伊曼架构将内存单元与逻辑单元物理分离，受所谓的“内存墙”限制，导致由于大量数据传输而产生延迟和高能耗问题[2]。神经形态计算则通过模仿人脑的并行且高效能的计算架构，提供了一种替代方案[3]。通过将内存与处理功能集成在同一物理单元中，神经形态系统实现了具备更高可扩展性和能效的内存内处理功能[4]。在这样的系统中，人工突触通过调节突触权重——即神经元之间连接的强度——来发挥关键作用，而突触权重决定了信号传输的效率。因此，对于下一代神经形态硬件而言，拥有可靠且可扩展的突触器件至关重要。

基于电阻式随机存取存储器（RRAM）的突触器件因其简单的金属-绝缘体-金属结构、与CMOS技术的兼容性[5,6]、快速的开关速度，以及能够模拟长期增强效应和长期抑制效应等核心突触特性而备受关注[7,8]。RRAM的开关行为，也就是电阻切换现象，通常可归因于金属氧化物（绝缘体）层中导电丝的形成与断裂[[9], [10], [11], [12]]。此外，导电丝演化过程中的随机性会导致开关特性出现显著波动，从而降低器件的可靠性。由于工艺兼容性和较低的制造成本，过渡金属氧化物，如HfO₂ [[13], [14], [15]]、ZnO [[16], [17], [18]]、TiO₂ [19,20]、SnO₂ [21]以及ZrO₂ [[22], [23], [24]]，已被广泛用于RRAM的研究。然而，尽管具有这些优势，基于氧化物的突触器件仍存在开关行为不稳定的问题，这是因为导电丝会随机形成与断裂，从而导致SET/RESET电压出现较大波动，且电阻状态难以预测[25]。先前的研究表明，ZnO层能够实现出色的电阻切换性能，具备较高的击穿强度、可靠的耐用性以及热稳定性[26,27]。另外，通过热原子层沉积法生长的ZnO通常会因为晶格失配而形成多晶结构，其电学性能很大程度上取决于微观结构特征，尤其是作为氧离子高扩散路径的晶界。那些晶界分布不规则的HfO₂层则可能加剧导电丝的随机性以及开关特性的波动[28]。一种有效的解决方法是在开关层堆叠结构中插入一层薄薄的氧化层，以此限定活性区域并抑制导电丝的随机生成。不过，单一的基于ZnO的忆阻器件并不能完全解决波动问题，因为在开关层中，热焦耳效应很容易产生氧空位，而这些随机形成的氧空位可能会积累起来，进而促使导电丝的形成[29]。除非引入额外的结构限制，否则这种情况仍会导致开关行为不稳定。为了解决这些问题，我们提出了一种Pd/HfO₂/ZnO/HfO₂/Pd三层结构，相较于传统的单层结构，该结构能够更有效地限定活性开关区域。通过在两层HfO₂之间插入ZnO层，可以限制离子迁移路径，使其沿着晶界移动，从而抑制通常发生在氧化层界面附近的特性波动[30]。这一设计旨在减少开关特性的一致性差异，提升突触特性的均匀性，为开发高性能的1T1R单片存储器和神经形态系统提供了可行的途径。

在本研究中，我们制备了三层结构的HfO₂/ZnO/HfO₂突触器件，旨在探究在结构中插入ZnO层对模拟电阻切换特性的影响。我们通过研究长期增强/抑制效应、成对脉冲促进效应以及时序依赖性可塑性，系统地分析了这类器件的突触行为。在这些器件中，ZnO层会在两层HfO₂之间自然形成纳米晶体结构，我们对其对切换均匀性的影响进行了系统性分析。为了明确ZnO插入的具体作用，我们还制备了单层HfO₂结构和双层ZnO/HfO₂结构作为参考，与三层结构的突触器件进行了比较。

章节节选

实验方法

我们在热氧化处理的Si（100）衬底上制备了交叉棒形结构的突触器件。在开始加工之前，首先使用稀氢氟酸和去离子水对衬底进行依次清洗，随后在氮气环境中进行干燥处理，以去除残留的污染物。接着，我们使用电子束蒸发器在Si/SiO₂衬底上沉积了10纳米/100纳米厚的Ti/Pd层，作为器件的底部电极。之后，我们依次沉积了HfO₂层和ZnO层

结构与化学分析

图1(a)展示了Pd/HfO₂/ZnO/HfO₂/Pd器件的横截面透射电子显微镜图像。下层HfO₂、ZnO层以及上层HfO₂的厚度分别约为3.26纳米、10.18纳米和3.32纳米，这与设计的3纳米/10纳米/3纳米厚度非常接近。在EDS能谱映射图像中，我们可以清晰地看到金属氧化物层以及电极中Zn、Hf、O和Pd元素的分布情况，Pd、HfO₂和ZnO的边界十分明显（见图1(b)）。

HfO₂层和ZnO层中的氧空位特征

结论

在本研究中，我们系统地比较了三层结构HfO₂/ZnO/HfO₂中ZnO中间层与双层ZnO/HfO₂结构以及单层HfO₂结构对电阻切换特性的影响。结果表明，基于ZnO的三层结构显著提升了模拟电阻切换的性能，包括切换的均匀性、稳定性以及可靠性。通过与总氧化层厚度相同的双层器件对比，我们进一步确认，ZnO在两层结构之间的结构限制起到了关键作用

CRediT作者贡献说明

Sung-Ho Kim：概念构思、数据整理、正式分析、实验研究、方法设计、初稿撰写、论文审阅与修改。 Yu-Bin Kim：概念构思、数据整理、实验研究、方法设计。 Dong-Min Kim：概念构思、实验研究、方法设计。 Chae-Min Yeom：实验研究、方法设计。 Shivam Kumar Gautam：概念构思、实验研究、论文审阅与修改。 Hyuk-Min Kwon：论文审阅与修改。 Hi-Deok Lee：概念构思、项目监督，

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

致谢

本研究得到了忠南国立大学的支持。

Sung-Ho Kim|Yu-Bin Kim|Dong-Min Kim|Chae-Min Yeom|Shivam Kumar Gautam|Hyuk-Min Kwon|Hi-Deok Lee

韩国大田市，忠南国立大学电子工程系