CN107134525B - 阻变存储器的存储状态的调控方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种阻变存储器的存储状态的调控方法。阻变存储器包括两个电极层与两个电极层之间的绝缘层，两个电极层分别是第一电极层与第二电极层，至少一个电极层为铁磁电极层，存储状态的调控方法包括：步骤S1，向两个电极层之间施加第一电压，使得至少一个铁磁电极层的电势高于另一个电极层的电势，使得绝缘层中形成磁通道；步骤S2，向两个电极层之间施加第二电压，使得一个铁磁电极层中的铁磁材料发生相变。该调控方法不涉及到导电细丝的断裂过程，缓解了电阻转变的波动性，使得RRAM形成的RRAM阵列得到更广泛地应用，该调控方法操作简单，能降低存储器外围电路设计成本低，有利于其大规模集成和实际应用。
Description
技术领域
本申请涉及存储器领域，具体而言，涉及一种阻变存储器的存储状态的调控方法。
背景技术
阻变存储器(RRAM)利用材料的可逆电阻转变效应实现信息的存储功能，具有器件结构简单、高速、低功耗、可嵌入功能强等优点，是下一代非挥发性存储器中具有潜在应用的前景的存储器。
然而，在实际应用中所面临的最重要的挑战之一就是其转变参数的涨落，很好地控制这些参数的变化能够降低阻变存储器的波动性，提高器件可靠性。特别是在ECM(电化学金属化机制)型RRAM中导电细丝的生长和断裂存在着波动性，包括设置过程中细丝的大小、细丝的方位与恢复过程中细丝断裂的程度等，RRAM的参数波动性会影响RRAM阵列的应用，增加集成时外围电路的复杂性，阻碍其大规模集成和实际应用。
由上述内容可知，低波动性和高可靠性是RRAM获得成功应用的关键。因此，亟需找到一种简单有效的降低电阻转变波动性的方法。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种阻变存储器的存储状态的调控方法，以缓解现有技术中阻变存储器的电阻转变波动性较大的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种阻变存储器的存储状态的调控方法，该阻变存储器包括两个电极层与上述两个电极层之间的绝缘层，两个上述电极层分别是第一电极层与第二电极层，其中，至少一个上述电极层为铁磁电极层，该存储状态的调控方法包括：步骤S1，向两个上述电极层之间施加第一电压，使得至少一个上述铁磁电极层的电势高于另一个上述电极层的电势，使得上述绝缘层中形成磁通道；步骤S2，向两个上述电极层之间施加第二电压，使得一个上述铁磁电极层中的铁磁材料发生相变。
进一步地，上述第一电极层为上述铁磁电极层，上述第二电极层为非铁磁电极层，在上述步骤S1中，向上述第一电极层施加正向扫描电压，将上述第二电极层接地。
进一步地，上述第一电极层与上述第二电极层均为上述铁磁电极层，在上述步骤S1中，向其中一个上述电极层施加正向扫描电压，将另一个上述电极层接地。
进一步地，上述第一电极层为上述铁磁电极层，上述第二电极层为非铁磁电极层，在上述步骤S2中，向上述第一电极层施加正向扫描电压，将上述第二电极层接地。
进一步地，上述第一电极层与上述第二电极层均为上述铁磁电极层，在上述步骤S2中，向其中一个上述电极层施加正向扫描电压，将另一个上述电极层接地。
进一步地，上述铁磁电极层的材料选自Fe、Co与Ni中的一种或多种。
进一步地，上述绝缘层的材料选自TiO2、TaOX、HfO2、NiO与ZrO2中的一种或多种。
应用本申请的技术方案，首先，通过在第一电极层与第二电极层之间加载第一电压，使得二者之间具有正电势差，且至少一个铁磁电极层的电势较高，电势较高的铁磁电极层中的原子被氧化为离子，这些离子扩散到另一个电极层的表面上，被还原为原子并沉积在该电极层上，通过不断地堆积，直到其与电势高的铁磁电极层的下表面平齐，进而在绝缘层中形成了“磁通道”，又称为磁性纳米线或导电细丝；然后，向两个电极层之间施加第二电压，电流的热效应使得铁磁材料的温度达到居里温度，进而使得铁磁材料发生铁磁和顺磁的相变，进而实现器件输出的高阻态和低阻态的转化，实现磁信息的写入。本发明的这种调控方法是通过磁性材料的二级相变，使“磁通道”在超顺磁性和铁磁性之间变化，不同于以往的阻变机制，不涉及到导电细丝的断裂过程，进而很好地缓解了电阻转变的波动性，使得RRAM形成的RRAM阵列得到更广泛地应用，本申请的调控方法操作简单，能够降低存储器外围电路设计成本低，有利于其大规模集成和实际应用。
并且，该种调控方法使得阻变存储器能够在特定的环境限制中应用，使得这种器件应用在太空、深海探究等方面有着显著的优势。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的一种典型的实施方式提供的阻变存储器的存储状态的调控方法的流程示意图；
图2示出了本申请的一种实施例中提供的阻变存储器形成磁通道后的结构示意图；以及
图3示出了图2中的阻变存储器中的铁磁材料发生相变后的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、第一电极层；2、绝缘层；3、第二电极层；01、原子；100、磁通道。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中的阻变存储器的电阻转变波动性较大，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种阻变存储器的存储状态的调控方法。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种阻变存储器的存储状态的调控方法，如图2与图3所示，上述阻变存储器包括两个电极层与上述两个电极层之间的绝缘层2，两个上述电极层分别是第一电极层1与第二电极层3，其中，至少一个上述电极层为铁磁电极层，如图1所示，该调控方法包括：步骤S1，向两个上述电极层之间施加第一电压，使得至少一个铁磁电极层的电势高于另一个上述电极层的电势，且使得上述绝缘层2中形成磁通道100；步骤S2，向两个上述电极层之间施加第二电压，使得一个上述铁磁电极层中的铁磁材料发生相变。
本申请的阻变存储器的存储状态的调控方法中，首先，通过在第一电极层与第二电极层之间加载第一电压，使得二者之间具有正电势差，且至少一个铁磁电极层的电势较高，电势较高的铁磁电极层中的原子被氧化为离子，这些离子扩散到另一个电极层的表面上，被还原为原子并沉积在该电极层上，通过不断地堆积，直到其与电势高的铁磁电极层的下表面平齐，进而在绝缘层中形成了图2所示磁通道100，又称为磁性纳米线或导电细丝，此时，原子01的自旋方向(原子01上箭头的方向即为其自旋方向)杂乱无章；然后，向两个电极层之间施加第二电压，电流的热效应使得铁磁材料的温度达到居里温度，进而使得铁磁材料发生铁磁和顺磁的相变，如图3所示，使得原子01的自旋方向(原子01上箭头的方向即为其自旋方向)基本一致，进而实现器件输出的高阻态和低阻态的转化，实现磁信息的写入。本发明的这种调控方法是通过磁性材料的二级相变，使“磁通道”在超顺磁性和铁磁性之间变化，不同于以往的阻变机制，不涉及到导电细丝的断裂过程，进而很好地缓解了电阻转变的波动性，使得RRAM形成的RRAM阵列得到更广泛地应用，本申请的调控方法操作简单，能够降低存储器外围电路设计成本低，有利于其大规模集成和实际应用。
并且，该种调控方法使得阻变存储器能够在特定的环境限制中应用，使得这种器件应用在太空、深海探究等方面有着显著的优势。
本申请中的阻变存储器中的两个电极层可以均为铁磁材料的铁磁电极层，也可以是其中的一个是铁磁电极层，另一个是非铁磁电极层。本申请中的调控方法可以应用在这三种结构中。
本申请中的铁磁材料可以是现有技术中的任何一种可行的铁磁材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成电极层。
本申请的一种实施例中，为了进一步保证电极层的铁磁性，进而保证调控过程的有效实施，上述铁磁材料选自Fe、Co与Ni中的一种或多种。即形成电极层的铁磁材料可以为单独的Fe、单独的Co或单独的Ni，也可以是Fe和Co的混合物、Fe和Ni的混合物或Co和Ni的混合物，还可以是Fe、Ni和Co的混合物。
本领域技术人员可以根据实际情况设置合适的铁磁电极层的厚度，本申请的另一种实施例中，上述铁磁电极层的厚度为30～50nm，这样可以更好地保证形成性能(包括合适的击穿电压)较好的磁性纳米线。
当两个电极层中的一个是非铁磁电极层时，该层的材料可以选自任何一种或多种非磁性金属材料。本领域技术人员可以根据实际情况选择现有技术中合适的材料形成非铁磁电极层。
为了进一步保证良好的导电性能，本申请中的非铁磁电极层的材料选自Pt与Ti中的一种或多种。
并且，两个电极层中的一个是非铁磁电极层时，本领域技术人员可以根据实际情况设置合适的非铁磁电极层的厚度，本申请的另一种实施例中，上述非磁性电极层的厚度为30～50nm，这样可以更好地保证性能较好的磁性纳米线。
本申请中的绝缘层的材料可以是现有技术中任何的绝缘材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的绝缘材料形成绝缘层。
为了进一步保证绝缘层具有良好的绝缘性能，本申请的一种实施例中，绝缘层的材料选自TiO2、TaOX、HfO2、NiO与ZrO2中的一种或多种。
并且，绝缘层的厚度过大，使得离子不容易扩散，需要较大的驱动电压，绝缘层的厚度过小，则太容易被击穿，为了进一步保证阻变存储器具有合适的击穿电压与合适的驱动电压，本申请中的绝缘层的厚度为10～30nm。但是本申请中的绝缘层的厚度并不限于上述的范围，本领域技术人员可以根据实际情况设置合适的绝缘层的厚度。
本申请的一种实施例中，上述阻变存储器还包括衬底、第一电极层、绝缘层以及第二电极层依次叠置设置在衬底的表面上。
上述的衬底为平整、洁净的绝缘衬底，其材料可以根据实际情况选择，本申请的一种实施例中，上述衬底的材料选自SiO2、Si3N4与Al2O3中的一种或多种。
本申请的又一种实施例中，上述阻变存储器还包括种子层，种子层设置在上述衬底与第一电极层之间。种子层的设置可以使得衬底与该电极层之间的附着性更好，进一步保证了器件的牢固性与可靠性。
为了进一步提高衬底与第一电极层之间的附着性，本申请的一种实施例中，上述种子层的材料选自Ti和/或Cr。
当然，种子层的材料并不限于上述的材料，本领域技术人员还可以根据实际情况选择其他的材料形成种子层。
为了进一步保证衬底与第一电极层之间的附着性，本申请的一种实施例中，上述种子层的厚度在5～10nm之间。
上述的步骤S1中，施加第一电压的方式可以采用现有技术中的任何一种可行的方式，例如，当一个电极层为铁磁电极层，另一个电极层为非铁磁电极层时，向一个铁磁电极层施加正电压，向非铁磁电极层施加负电压。并且，具体地，施加电压的方式可以是扫描电压方式，也可以是直接施加一个固定大小的电压值。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的施加第一电压的方式。
并且，本领域技术人员可以根据实际情况选择上述第一电压的大小，只要保证该电压小于器件的击穿电压和形成磁性纳米线即可。
本申请的一种实施例中，为了简化第一电压的施加方式，简化调控方法，本申请的一种实施例中，上述第一电极层为铁磁电极层，上述第二电极层为非铁磁电极层，在上述步骤S1中，向上述第一电极层施加正向扫描电压，将上述第二电极层接地。
本申请中的第一电极层与第二电极层只是两个电极层的不同名字，实际上这两个电极层没有区别，所以上述的方案同样适用于“第二电极层为铁磁电极层，上述第一电极层为非铁磁电极层”情况。也就是说，当上述第二电极层为铁磁电极层，上述第一电极层为非铁磁电极层，在上述步骤S1中，向上述第二电极层施加正向扫描电压，将上述第一电极层接地。
同样地，为了简化第一电压的施加方式，本申请的一种实施例中，上述第一电极层与上述第二电极层均为铁磁电极层，在上述步骤S1中，向其中一个电极层施加正向扫描电压，将另一个电极层接地。
上述的步骤S2中，施加第二电压的方式可以采用现有技术中的任何一种可行的方式，例如，当一个电极层为铁磁电极层，另一个电极层为非铁磁电极层时，向铁磁电极层施加正电压，向非铁磁电极层施加负电压。并且，具体地，施加电压的方式可以是扫描电压方式，也可以是直接施加一个固定大小的电压值。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的施加第二电压的方式，只要能够通过电流的热效应使得铁磁材料的温度达到其居里温度即可。
本申请的另一种实施例中，上述第一电极层为铁磁电极层，上述第二电极层为非铁磁电极层，在上述步骤S2中，向上述第一电极层施加正向扫描电压，将上述第二电极层接地。这样可以进一步简化第二电压的施加方式，进而简化调控方法。
本申请中的第一电极层与第二电极层没有区别，所以上述的方案同样适用于“第二电极层为铁磁电极层，上述第一电极层为非铁磁电极层”情况。也就是说当上述第二电极层为铁磁电极层，上述第一电极层为非铁磁电极层时，在上述步骤S2中，向上述第二电极层施加正向扫描电压，将上述第一电极层接地。这样也可以进一步简化第二电压的施加方式，进而简化调控方法。
同样地，为了进一步简化第二电压的施加方式，上述第一电极层与上述第二电极层均为铁磁电极层，在上述步骤S2中，向其中一个电极层施加正向扫描电压，将上述另一个电极层接地。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案。
实施例
阻变存储器包括依次叠置设置的衬底、种子层、第一电极层、绝缘层与第二电极层，其中，第二电极层为铁磁电极层，衬底为SiO2衬底；种子层为Ti金属薄膜，厚度为10nm；然后，第一电极层为Pt层，厚度在30nm；绝缘层为厚度为20nm的HfO2层；第二电极层为50nm的Fe层。
该阻变存储器的调控方法包括：
步骤S1，将第二电极层3与Keithley 4200的正极电连接，将第一电极层1与Keithley 4200的接地端电连接，向第二电极层3施加一个正向扫描电压，称为第一电压，使得上述绝缘层2中形成图2所示的磁通道100，此时，原子01的自旋方向(原子01上箭头的方向即为其自旋方向)杂乱无章；
步骤S2，通过Keithley 4200向第二电极层3施加的电压调整为第二电压，即向第二电极层3施加的第二电压，电流的热效应使得铁的温度达到其居里温度1043K，进而使得Fe发生相变，由铁磁变为顺磁，如图3所示，使得原子01的自旋方向(原子01上箭头的方向即为其自旋方向)基本一致，I-V曲线中的电流发生跳变，即电阻发生突变(变小)，进而实现器件输出的高阻态和低阻态的转化，实现磁信息的写入。
上述的调控方法简单，易操作，且不涉及到导电细丝的断裂过程，进而很好地缓解了电阻转变的波动性，使得RRAM形成的RRAM阵列得到更广泛地应用，本申请的调控方法操作简单，能够降低存储器外围电路设计成本低，有利于其大规模集成和实际应用。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
本申请的阻变存储器的存储状态的调控方法中，首先，通过在第一电极层与第二电极层之间加载第一电压，使得二者之间具有正电势差，且至少一个铁磁电极层的电势较高，电势较高的铁磁电极层中的原子被氧化为离子，这些离子扩散到另一个电极层的表面上，被还原为原子并沉积在该电极层上，通过不断地堆积，直到其与电势高的铁磁电极层的下表面平齐，进而在绝缘层中形成了“磁通道”，又称为磁性纳米线或导电细丝，此时，原子的自旋方向杂乱无章；然后，向两个电极层之间施加第二电压，电流的热效应使得铁磁材料的温度达到居里温度，进而使得铁磁材料发生铁磁和顺磁的相变，使得原子的自旋方向基本一致，进而实现器件输出的高阻态和低阻态的转化，实现磁信息的写入。
本发明的这种调控方法是通过磁性材料的二级相变，使“磁通道”在超顺磁性和铁磁性之间变化，不同于以往的阻变机制，不涉及到导电细丝的断裂过程，进而很好地缓解了电阻转变的波动性，使得RRAM形成的RRAM阵列得到更广泛地应用，本申请的调控方法操作简单，能够降低存储器外围电路设计成本低，有利于其大规模集成和实际应用。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种阻变存储器的存储状态的调控方法，其特征在于，所述阻变存储器包括两个电极层与所述两个电极层之间的绝缘层(2)，两个所述电极层分别是第一电极层(1)与第二电极层(3)，其中，至少一个所述电极层为铁磁电极层，所述存储状态的调控方法包括：
步骤S1，向两个所述电极层之间施加第一电压，使得至少一个所述铁磁电极层的电势高于另一个所述电极层的电势；以及
步骤S2，向两个所述电极层之间施加第二电压，使得一个所述铁磁电极层中的铁磁材料发生相变。
2.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述第一电极层(1)为所述铁磁电极层，所述第二电极层(3)为非铁磁电极层，在所述步骤S1中，向所述第一电极层(1)施加正向扫描电压，将所述第二电极层(3)接地。
3.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述第一电极层(1)与所述第二电极层(3)均为所述铁磁电极层，在所述步骤S1中，向其中一个所述电极层施加正向扫描电压，将另一个所述电极层接地。
4.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述第一电极层(1)为所述铁磁电极层，所述第二电极层(3)为非铁磁电极层，在所述步骤S2中，向所述第一电极层(1)施加正向扫描电压，将所述第二电极层(3)接地。
5.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述第一电极层(1)与所述第二电极层(3)均为所述铁磁电极层，在所述步骤S2中，向其中一个所述电极层施加正向扫描电压，将另一个所述电极层接地。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的调控方法，其特征在于，所述铁磁电极层的材料选自Fe、Co与Ni中的一种或多种。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的调控方法，其特征在于，所述绝缘层的材料选自TiO2、TaOX、HfO2、NiO与ZrO2中的一种或多种。
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