CN104392746A - 一种用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，包括：选择器件；对选择的器件进行第一次电激励；以及对器件进行电学操作，获得电阻转变存储器多转变模式。利用本发明，通过选取基于金属导电细丝机制的电阻转变存储器件，通过调整第一次电激励过程中的限制电流的大小，从而实现后续不同的电阻转变模式，这种方法简单实用，并且可以在同一个器件中获得转变模式的改变，实现多转变模式操作，可以获得第一次电激励过程中限制电流对导电细丝通道影响的间接证据，对于深入理解金属细丝机制的电阻转变存储器的阻变机理具有深刻意义。

Description

一种用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法

技术领域

本发明涉及纳米电子器件及纳米加工技术领域，尤其涉及一种用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法。

背景技术

为了适应大数据的需要，近年来，对存储器的存储密度要求也越来越高，器件面积也越来越小。我们知道，目前市场上主流的非挥发性存储器为闪存器件，由于器件尺寸的进一步缩小已经濒临闪存器件的物理极限，如果继续缩小下去的话，器件的可靠性会受到极大的影响，也就是说基于目前闪存器件的器件结构和工作原理，其存储密度已经很难再有大幅度的提升，这使得高密度存储器件的获得步入困境。

正是由于闪存器件的发展遇到瓶颈，从而使得研发下一代新型存储器件成为热点。在诸多新型器件中，电阻转变存储器被认为是最具竞争优势的下一代存储器件之一。这是由于其器件的结构简单，制备成本低，功耗小，更为重要的是这类器件具有相当可观的器件可微缩性能。大量实验已经证明，当器件面积在几个纳米尺度的时候，仍能实现稳定的器件功能。并且，电阻转变器件既可以实现非挥发性转变，也可以实现挥发性转变。这两种转变模式都可以在存储阵列中得到应用。挥发性转变特性可以用做选通器件或者挥发性存储单元而非挥发性转变可以用做数据的存储单元。

根据相关报道，可以通过改变器件结构、电极或者介质层材料，或者环境温度等来实现器件不同的转变模式，然而这些方法过于复杂并且不具备太多的实用价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的提供一种用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，以丰富目前电阻转变存储器在电路中的应用。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，该方法包括：选择器件；对选择的器件进行第一次电激励；以及对器件进行电学操作，获得电阻转变存储器多转变模式。

上述方案中，所述选择器件的步骤，是选择基于金属细丝导电桥机制的电阻转变器件。在所述基于金属细丝导电桥机制的电阻转变器件中，介质层是普通氧化物氧化硅、氧化铪、氧化铝或氧化锆，生长方式为高温热氧化、原子层沉积或直接溅射或反应溅射，一个电极为活性金属，一个电极为惰性金属。

上述方案中，所述活性金属为银或者铜，所述惰性金属为铂或者钨。所述对选择的器件进行第一次电激励的步骤中，电压是加在活性金属上，惰性金属电极接地。

上述方案中，所述选择器件的步骤，是选择一端是活性电极，一端是惰性电极的电阻转变器件，并且中间氧化物介质层的厚度应该在几十个纳米。所述对选择的器件进行第一次电激励的步骤中，是在活性金属电极上加正电压，惰性金属电极接地，并且整个电激励的过程中需要限流保护。所述限流保护采用的限制电流的大小在小于1毫安的范围内调节，当限制电流小于50纳安时，器件两端的低电阻状态在撤掉电压后无法保持，当限制电流大于50纳安小于1毫安时，器件两端的低电阻状态在撤去电压后能够保持。

上述方案中，所述对器件进行电学操作的步骤，当第一次电激励采用的是小于50纳安的限制电流时，对器件进行电学操作是在电极两端上加正向或负向电压，在电压扫描的过程中加上与第一次电激励过程相同的限制电流，器件表现出挥发性转变；当第一次电激励采用的是大于50纳安小于1毫安的限制电流时，对器件进行电学操作是在惰性电极上加正电压，活性电极接地，在电压扫描的过程中电流限制大小为0.1安，使器件电阻重回到高阻态，然后再在活性电极上加正电压扫描，惰性电极接地，限制电流与之前第一次电激励过程相同，器件表现出非挥发性转变。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明有以下有益效果：

1、利用本发明，通过选取基于金属导电细丝机制的电阻转变存储器件，通过调整第一次电激励过程中的限制电流的大小，从而实现后续不同的电阻转变模式，这种方法简单实用，并且可以在同一个器件中获得转变模式的改变，实现多转变模式操作。

2、利用本发明，可以获得第一次电激励过程中限制电流对导电细丝通道影响的间接证据，对于深入理解金属细丝机制的电阻转变存储器的阻变机理具有深刻意义。

附图说明

图1为依照本发明实施例的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法的流程图。

图2为依照本发明实施例的小限制电流下的电激励过程。

图3为依照本发明实施例的大限制电流下的电激励过程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为依照本发明实施例的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法的流程图，具体包括以下步骤：

步骤1：选择器件；

选择基于金属细丝导电桥机制的电阻转变器件，在基于金属细丝导电桥机制的电阻转变器件中，介质层是普通氧化物氧化硅、氧化铪、氧化铝或氧化锆，生长方式为高温热氧化、原子层沉积或直接溅射或反应溅射，一个电极为活性金属，例如银或者铜，一个电极为惰性金属，例如铂或者钨；在后续对选择的器件进行第一次电激励时，电压是加在活性金属上，惰性金属电极接地。

或者，选择一端是活性电极，一端是惰性电极的电阻转变器件，并且中间氧化物介质层的厚度应该在几十个纳米。对选择的器件进行第一次电激励时，是在活性金属电极上加正电压，惰性金属电极接地，并且整个电激励的过程中需要限流保护。所述限流保护采用的限制电流的大小在小于1毫安的范围内调节，当限制电流小于50纳安时，器件两端的低电阻状态在撤掉电压后无法保持，当限制电流大于50纳安小于1毫安时，器件两端的低电阻状态在撤去电压后能够保持。

具体而言，本步骤首先是衬底准备，本实施例所用的衬底为已经形成氧化硅绝缘层的2英寸硅片，在淀积器件材料之前，硅片是要进行严格的清洗过程，具体为：2英寸硅片在硫酸(H₂SO₄)和双氧水(H₂O₂)的溶液中(两者比例为7∶3)煮30分钟，温度为400摄氏度，去除有机物和金属杂质，然后放入氢氟酸(HF)和去离子水(DIW)中漂洗，最后用去离子水(DIW)冲洗。

电子束蒸发惰性金属作为下电极，金属材料可选取铂或者钨，蒸发厚度为80纳米；光刻形成器件图形；在准备好的惰性电极表面旋涂光刻胶，光刻胶采用9920，旋涂厚度为1.2μm，然后在85℃热板烘烤4.5分钟，采用掩膜曝光，曝光时间3.5秒，然后在显影溶液里浸泡40秒，形成器件图形；离子束溅射生长介质层，介质层材料可以是一般氧化物，厚度在几十个纳米；电子束蒸发活性金属材料形成上电极，活性金属材料可选取银，铜等，沉积厚度约80纳米；剥离形成器件：采用丙酮+乙醇作为剥离试剂，先在丙酮中浸泡5分钟，然后分别用乙醇和去离子水浸洗，形成器件。

步骤2：对选择的器件进行第一次电激励；

将正电压加在上电极(活性电极)上，将下电极(惰性电极)接地处理；设置扫描电压的范围(视介质层材料和厚度而定，一般为0到15伏)并在扫描的过程中确保限制电流(小于1毫安)的存在；调节限制电流的大小，以激发不同的转变模式。

步骤3：对器件进行电学操作，获得电阻转变存储器多转变模式；

当第一次电激励采用的是小于50纳安的限制电流时，对器件进行电学操作是在电极两端上加正向或负向电压，在电压扫描的过程中加上与第一次电激励过程相同的限制电流，器件表现出挥发性转变；

当第一次电激励采用的是大于50纳安小于1毫安的限制电流时，对器件进行电学操作是在惰性电极上加正电压，活性电极接地，在电压扫描的过程中电流限制大小为0.1安，使器件电阻重回到高阻态，然后再在活性电极上加正电压扫描，惰性电极接地，限制电流与之前第一次电激励过程相同，器件表现出非挥发性转变。

实施例

本实施例选用已氧化处理的2英寸硅片，活性电极采用银(Ag)，惰性电极采用铂金(Pt)，介质层采用离子束溅射的氧化硅。

对2英寸的硅片进行如上述的标准清洗过程，去除表面油污及金属污染。

清洗后的硅片在高温氧化炉中氧化处理，表面形成绝缘氧化硅，作为衬底介质层，厚度为100纳米左右。

首先在衬底上电子束蒸发厚度为80纳米的金属铂，在长好铂金的衬底上旋涂9920光刻胶，转速7000转每分钟，旋涂一分钟，厚度大约1.2微米，85℃热板烘烤4.5分钟曝光选用真空曝光模式，曝光时间3.5秒。然后在9920对应的显影液中显影40秒，形成图形后在去离子水中清洗，待水分蒸发后离子束溅射氧化硅，厚度为50纳米，然后电子束蒸发活性金属银，厚度为80纳米；取出后在丙酮中浸泡5分钟，待金属剥离干净后再用乙醇浸洗，最后用去离子水冲洗，形成器件，如果剥离不太干净，可用吸管吹洗或者超声清洗。

将制得的器件在半导体测试仪中加电场，活性电极Ag一端加正向扫描电压，惰性电极Pt接地，在电压扫描的过程中加一个限制电流大小为10纳安，当电极之间电流突然增加至限制电流时，意味着器件被编程到低电阻状态，当电流回扫至一个小电压的时候(1V)，电流又突然减小，意味着器件又重新回到高电阻状态，如图2所示。

之后，不论在正向电压还是负向电压的激励下，当限制电流维持在与第一次电激励过程相同时，器件都表现出挥发性转变特性。对于另外一个器件也进行第一次电激励过程，调整限制电流至150微安，器件被编程至低电阻状态后一直能够保持，如图3所示。

接下来在器件两端加一个与第一次电激励过程相反的电压，将限制电流设置为0.1安，器件可以被编程回到高电阻状态，正向电压扫描下，将限制电流设置的与第一次电激励过程相同，器件会被编程至低电阻状态，并保持，器件表现出典型的非挥发性转变特性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，其特征在于，该方法包括：

选择器件；

对选择的器件进行第一次电激励；以及

对器件进行电学操作，获得电阻转变存储器多转变模式。

2.根据权利要求1所述的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，其特征在于，所述选择器件的步骤，是选择基于金属细丝导电桥机制的电阻转变器件。

3.根据权利要求2所述的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，其特征在于，在所述基于金属细丝导电桥机制的电阻转变器件中，介质层是普通氧化物氧化硅、氧化铪、氧化铝或氧化锆，生长方式为高温热氧化、原子层沉积或直接溅射或反应溅射，一个电极为活性金属，一个电极为惰性金属。

4.根据权利要求3所述的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，其特征在于，所述活性金属为银或者铜，所述惰性金属为铂或者钨。

5.根据权利要求3所述的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，其特征在于，所述对选择的器件进行第一次电激励的步骤中，电压是加在活性金属上，惰性金属电极接地。

6.根据权利要求1所述的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，其特征在于，所述选择器件的步骤，是选择一端是活性电极，一端是惰性电极的电阻转变器件，并且中间氧化物介质层的厚度应该在几十个纳米。

7.根据权利要求6所述的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，其特征在于，所述对选择的器件进行第一次电激励的步骤中，是在活性金属电极上加正电压，惰性金属电极接地，并且整个电激励的过程中需要限流保护。

8.根据权利要求7所述的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，其特征在于，所述限流保护采用的限制电流的大小在小于1毫安的范围内调节，当限制电流小于50纳安时，器件两端的低电阻状态在撤掉电压后无法保持，当限制电流大于50纳安小于1毫安时，器件两端的低电阻状态在撤去电压后能够保持。

9.根据权利要求1所述的用以获得电阻转变存储器多转变模式的操作方法，其特征在于，所述对器件进行电学操作的步骤，当第一次电激励采用的是小于50纳安的限制电流时，对器件进行电学操作是在电极两端上加正向或负向电压，在电压扫描的过程中加上与第一次电激励过程相同的限制电流，器件表现出挥发性转变；

当第一次电激励采用的是大于50纳安小于1毫安的限制电流时，对器件进行电学操作是在惰性电极上加正电压，活性电极接地，在电压扫描的过程中电流限制大小为0.1安，使器件电阻重回到高阻态，然后再在活性电极上加正电压扫描，惰性电极接地，限制电流与之前第一次电激励过程相同，器件表现出非挥发性转变。