CN107195777B - 一种具有透明上电极的阻变单元及其导电细丝定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有透明上电极的阻变单元及其导电细丝定位方法，属于阻变存储器领域。所述阻变单元，从下到上依次由下电极，绝缘介质层和上电极三部分构成；其中，上电极的材料为透明氧化铟锡。导电细丝定位方法为：对具有透明上电极的阻变单元绝缘介质层所采用的材料进行光谱测试分析，获得该材料氧空位发光强度峰值所对应的发光波长；采用紫外激光作为激发源，利用显微物镜对紫外激光进行聚焦，通过聚焦后的紫外激光对透明上电极进行光致发光扫描，获得上电极对应氧空位发光强度的二维图像；读取上电极内每一点的光谱，发光最强位置即为导电细丝连接上电极一端所在的位置。本发明无需剥离电极，利用光学手段对导电细丝进行定位扫描，成本低。
Description
技术领域
本发明属于阻变存储器领域，具体提出一种具有透明上电极的阻变单元及其导电细丝定位方法。
背景技术
半导体存储器作为21世纪互联网科技发展的重要载体和媒介，在各个领域里发挥着越来越大的作用。作为半导体存储器的代表，随机存储器(RAM)因其可以用相同的速度随意存取任何一个存储单元，在数据存储中已经逐渐代替与之相对的传统机械硬盘和光盘，成为主流的存储载体。随机存储器可以按存储数据保持的时间长短分为两大类别，即易失性和非易失性存储器。非易失性存储器(NVM)因其良好的数据保持特性(不需要持续供电)大量用于各类电子产品的数据存储。随着移动、可穿戴设备的发展，以及大数据、信息总量的不断膨胀和增长，存储器的非易失性变得更加重要。阻变存储器(RRAM)以其高密度、低功耗、低成本和高尺寸缩小等特点在非易失性存储器中有着广泛的应用前景。一个RRAM中包含由成千上万个相同的阻变单元所组成的阵列；每个阻变单元包括:上电极—绝缘介质层(阻变层)—下电极(MIM)；其中,绝缘介质层的材料为金属氧化物，通过对上下电极施加电场，使得绝缘介质层发生软击穿，在原本绝缘的介质层中产生一条由氧空位构成的导电通道，此导电通道称为导电细丝。阻变单元的阻变机理为绝缘介质层中导电细丝的通断：导电细丝的联通代表着阻变单元在低电阻状态，而外加电场的作用下导电细丝的断开代表着阻变单元的高电阻状态，高低电阻状态分别对应着二进制中的“0”态和“1”态。
导电细丝的位置对阻变单元的寿命有着重要意义。如果导电细丝太靠近阻变单元的边缘，则外界的氧原子容易扩散到导电细丝中，对阻变单元的数据保持特性和耐久性有着重要影响。因此，通过测定阻变单元导电细丝的位置，优化制备工艺中导电细丝的生成参数，使得导电细丝的位置居于单元中间，对RRAM的品控寿命都有着重要意义。
虽然RRAM中的导电细丝与导电桥存储器(conductive-bridge RAM，CBRAM)中的导电细丝相类似，但构成导电细丝的成分并不相同。基于金属氧化物材料RRAM内的导电细丝普遍认为是由氧空位构成而非CBRAM中的金属离子。因此，在CBRAM中发展成熟的直接观测导电细丝的技术手段，如原位，非原位的透射电镜，扫描电镜等方法并不适用于RRAM。虽然有成功地应用红外成像来定位RRAM中导电细丝位置的报导，但由于红外线的波长较长，受制于衍射极限，所以无法给出清晰的几何形貌。
传统的RRAM阻变单元从下到上依次由下电极，绝缘介质层和上电极三部分构成，其中，绝缘介质层采用金属氧化物，下电极多为氮化钛，氮化钽等材料。贵金属如金，铂，铱常用来作为上电极材料。研究导电细丝的最大困难在于导电细丝是由诸多氧空位连接起来的导电通道，跟晶格中其他氧原子难以区分。近年来所发展的导电细丝测试手段，首先要完成器件的电学操作，然后剥离电极，对阻变层进行研究。这样的问题是破坏了阻变器件，无法进行后续的实验测试，只能观测某一特定状态下的导电细丝。同时剥离电极和后续的测试手段都需要在高真空环境中进行，使得成本大大提高。另外,传统的方法操作复杂同时周期较长，且只能证明当前样品中导电细丝的位置和工作状态，当发现导电细丝位置不理想的时候，很难及时地对其他批次生产的阻变单元进行调整和参数优化，只适合进行理论研究，很难推广到实际生产中，而且无法了解导电细丝位置与阻变单元寿命的联系。因此，发明一种有效、便捷、低成本的导电细丝定位方法和与测试相配套的阻变单元显得尤为重要。
光发射电子显微镜(PEEM)作为功能强大的表面原位成像手段，是一种传统的阻变单元中导电细丝的位置探测手段。PEEM的工作原理是：利用高能X射线对测试材料进行激发，测试材料中的原子在吸收射线能量之后，会再次发射出电子。根据不同原子所发射电子的动能差异，并结合激发x射线的能量，获得不同原子所对应的能谱。对测试样品进行二维扫描，根据每一个测试点能谱间的差异，生成二维图像。由于PEEM是一种表面分析技术，只能测量样品表面1-10纳米处的能谱，因此应用在阻变单元中导电细丝的定位，需要首先剥离上电极。剥离过程必须在高真空中进行，以避免由氧空位构成的导电细丝在空气中氧化。剥离后的阻变单元需要在高真空环境中直接传送到光发射电子显微镜中，大大增加成本。此外，光发射电子显微镜中的x射线来自高能同步辐射光源，而同步辐射装置属于大型装置，造价极高。同时，上电极剥离的过程破坏了阻变单元，所以只能观测某一阻值状态下的导电细丝，无法对该阻变单元进行后续操作和研究。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种具有透明上电极的阻变单元及其导电细丝定位方法。本发明设计的具备透明上电极的阻变单元，不需要剥离电极。利用光学手段对导电细丝进行定位扫描，成本低。同时，光谱手段的非破坏性使得反复测试不同状态下的同一器件成为可能。
本发明提出的一种具有透明上电极的阻变单元，从下到上依次由下电极，绝缘介质层和上电极三部分构成，所述绝缘介质层内具有连接下电极和上电极的导电细丝；其特征在于，所述上电极材料为透明氧化铟锡。
本发明提出的一种具有透明上电极的阻变单元的导电细丝定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对具有透明上电极的阻变单元绝缘介质层所采用的材料进行光谱测试分析，获得该材料氧空位发光强度峰值所对应的发光波长；
2)采用紫外激光作为激发源，利用共聚焦显微荧光系统中的显微物镜对紫外激光进行聚焦，通过聚焦后的紫外激光对具有透明上电极的阻变单元的透明上电极进行光致发光扫描，获得上电极对应氧空位发光强度的二维图像；
3)根据步骤2)获取的图像，读取上电极内每一点的光谱，记录在步骤1)确定的波长处每一点的发光强度，发光最强的位置即为导电细丝连接上电极的一端所在的位置，导电细丝定位完成。
本发明的特点及有益效果在于：
本发明提出一种具有透明上电极的阻变单元及其导电细丝定位方法，使用氧化铟锡(ITO)作为制作透明上电极的材料，利用光谱分析作为非破坏性的测试方法，不需剥离电极，不但可以定位导电细丝的位置，也可以研究导电细丝在器件耐久性测试中的变化，分析器件的失效机理。光谱测试也同样适用于研究器件的保持特性，观测导电细丝在较长时间尺度上的变化，并结合电学测试分析其变化机理。耐久性和保持特性作为存储器的关键技术指标，光谱分析可以非破坏地研究阻变层缺陷的分布和浓度变化，为研究器件失效机理提供实验上的依据。
本发明利用金属氧化物材料中氧空位在激发后发蓝光，与周围的氧原子产生强烈对比这一特点，通过光学成像手段探测器件导电细丝的位置，为研究导电细丝提供新的实验方法。利用光学手段对导电细丝进行定位扫描，结果准确且大大降低成本。
本发明操作简便,可以即时和便捷地对同一阻变单元和多个阻变单元进行测试，在不同导电细丝的生成条件下与不同阻变单元制备参数下，测试阻变细丝的位置和耐久性的对应关系，当发现导电细丝位置不理想的时候，可以及时地对其他批次生产的阻变单元的制备工艺进行调整和参数优化的反馈，优化阻变单元的器件性能，具有很高的应用价值。
附图说明
图1是本发明的具有透明上电极的阻变单元的结构示意图。
图2是本发明实施例中钛酸锶材料发光光谱示意图。
图3是本发明实施例中阻变单元上电极的氧空位发光积分扫描示意图。
图4是本发明实施例中导电细丝耐久性测试结果示意图。
图中，1是透明上电极，2是绝缘介质层，3是导电细丝，4是下电极。
具体实施方式
本发明提出的一种具有透明上电极的阻变单元及其导电细丝定位方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。
本发明提出的一种具有透明上电极的阻变单元，结构如图1所示，从下到上依次由下电极4，绝缘介质层2和透明上电极1三部分构成，所述绝缘介质层2内具有连接下电极4和透明上电极1的导电细丝3；所述透明上电极的材料为氧化铟锡(ITO)，下电极的材料采用与绝缘介质层相匹配的材料。
本实施例的一种具有透明上电极的阻变单元，从下到上依次由下电极，绝缘介质层和透明上电极三部分构成，所述绝缘介质层内具有连接下电极和透明上电极的导电细丝；所述下电极的材料为镧锶锰氧(LSMO)，厚度为50纳米；绝缘介质层的材料为钛酸锶薄膜，厚度为20纳米；上电极的材料为透明氧化铟锡(ITO)，厚度为50纳米。
本发明所述的具有透明上电极的阻变单元，其制作方法可采用传统的阻变单元制作方法，具体工艺流程如下：
1、下电极的制备：本发明中下电极的材料可采用阻变单元使用的常规下电极材料，下电极的材料采用与绝缘介质层相匹配的材料，下电极的厚度通常为50-100纳米；在本实施例中，应用在绝缘介质层中的阻变材料为钛酸锶，则选取与之相匹配的镧锶锰氧(LSMO)作为下电极。在铝酸镧单晶衬底上通过脉冲激光沉积法(PLD)沉积50纳米厚的镧锶锰氧作为阻变单元的下电极。
2、绝缘介质层的制备：本发明中绝缘介质层的材料采用阻变单元使用的常规绝缘介质层材料，绝缘介质层的厚度通常为10-20纳米；本实施例中，下电极制备完成后，在下电极上，继续使用脉冲激光沉积法(PLD)沉积20纳米厚的钛酸锶薄膜作为绝缘介质层。
3、透明上电极的制备：在绝缘介质层上，通过物理气相沉积法(PVD)制备50纳米厚的氧化铟锡(ITO)作为上电极，阻变单元制作完成。透明上电极的厚度通常为50-100纳米。
4、生成导电细丝(氧空位)：使用半导体器件参数分析仪(本实施例采用AgilentB1500)对绝缘介质层进行电学操作，施加电场在绝缘介质层中生成导电细丝(导电细丝的位置是不可控制的)，测试阻变单元的技术参数，包括:阻变电压和高低阻值，验证阻变单元中导电细丝为器件主要的阻变机理，若验证通过，则证明导电细丝生成完毕，至此完成阻变单元的制备。
本发明提出的一种具有透明上电极的阻变单元的导电细丝定位方法，包括以下步骤：
1)对具有透明上电极的阻变单元绝缘介质层所采用的材料进行光谱测试分析，获得该材料氧空位发光强度峰值所对应的发光波长；
2)采用紫外激光作为激发源，利用共聚焦显微荧光系统中的显微物镜(物镜的放大倍数大于15倍))对紫外激光进行聚焦，通过聚焦后的紫外激光对阻变单元的透明上电极进行光致发光扫描，获得上电极对应氧空位发光强度的二维图像；
3)根据步骤2)获取的图像，读取上电极内每一点的光谱，记录在步骤1)确定的波长处每一点的发光强度，发光最强的位置即为导电细丝连接上电极的一端所在的位置。由于导电细丝是垂直于绝缘介质层分别连接上电极和下电极的，得到导电细丝连接上电极的一端所在的位置，即可得到导电细丝整体在阻变单元中所处的位置，导电细丝定位完成。
本实施例中一种具有透明上电极的阻变单元的导电细丝定位方法，包括以下步骤：
1)对具有透明上电极的阻变单元绝缘介质层所采用的材料进行光谱测试分析，获得该材料氧空位发光强度峰值所对应的发光波长。
本实施例中，绝缘介质层材料为钛酸锶(STO)，对钛酸锶进行光谱测试分析，获得该材料氧空位发光强度峰值所对应的发光波长，本发明实施例的钛酸锶材料发光光谱示意图如图2所示，其中纵坐标代表发光强度，横坐标为发光波长，发光峰值位于波长420纳米处。
2)采用波长为325纳米的紫外激光作为激发源，利用共聚焦显微荧光系统中的显微物镜，本实施例中采用40倍显微物镜，对紫外激光进行聚焦，通过聚焦后的紫外激光对阻变单元的透明上电极(本实施例为氧化铟锡(ITO))进行光致发光扫描，获得上电极对应氧空位发光强度的二维图像。
3)根据步骤2)获取的图像，读取上电极内每一点的光谱，记录上电极的每一点在420纳米处的发光强度，发光最强的位置即为导电细丝连接上电极的一端所在的位置。如图3所示，图3为阻变单元上电极的氧空位发光积分扫描图，颜色深浅代表在该位置的发光强弱，颜色浅代表发光强，右侧光亮的柱子代表着导电细丝的发光以及在电极上的位置。
标定导电细丝位置的原理是：导电细丝由氧空位构成，而多数金属氧化物(绝缘介质层所采用的材料)中的氧空位在紫外激光的激发下，发射荧光。基于此原理，应用共聚焦显微荧光系统对阻变单元的上电极进行光致发光扫描，获得对应氧空位发光强度的二维图像。发光最强处，即为导电细丝的位置。
导电细丝定位完成后，对同一阻变单元进行多次“写”操作(即高低电阻态(0态，1态)之间转换)，测试阻变单元的耐久性。基于光谱测试的非破坏性，在不同耐久性测试的次数下，重复步骤2)-步骤3)，即本发明方法中对导电细丝位置的扫描和导电细丝处发光强度大小的比较，更新该阻变单元中导电细丝连接上电极的一端所在位置的发光强度并进行判定：若发光强度的增加值小于首次进行导电细丝定位时导电细丝连接上电极的一端所在位置发光强度的50％，则代表导电细丝通断正常，阻变单元处于工作状态，继续进行下一轮的N次通断操作；若发光强度的增加值大于等于首次进行导电细丝定位时导电细丝连接上电极的一端所在位置发光强度的50％，则代表导电细丝无法断开，阻变单元失效。
在本实施例中，我们对同一阻变单元在每20次“写”操作后，测试导电细丝位置处的发光强度，测试结果如如图4所示，图4中，纵坐标代表导电细丝处的发光积分强度，横坐标代表“写”操作的次数，随着次数增多，发光逐渐增强，代表构成导电细丝中氧空位的浓度在增加，而经过八十次“写”操作后，发光突然增强，代表此时单元中的导电细丝中氧空位浓度增加到临界值，导电细丝无法再断开，回到高阻值状态，阻变单元此刻失效。
Claims (2)
1.一种具有透明上电极的阻变单元的导电细丝定位方法，所述具有透明上电极的阻变单元，从下到上依次由下电极，绝缘介质层和上电极三部分构成，所述绝缘介质层内具有连接下电极和上电极的导电细丝，所述上电极材料为透明氧化铟锡；其特征在于，包括以下步骤：
1)对具有透明上电极的阻变单元绝缘介质层所采用的材料进行光谱测试分析，获得该材料氧空位发光强度峰值所对应的发光波长；
2)采用紫外激光作为激发源，利用共聚焦显微荧光系统中的显微物镜对紫外激光进行聚焦，通过聚焦后的紫外激光对具有透明上电极的阻变单元的上电极进行光致发光扫描，获得上电极对应氧空位发光强度的二维图像；
3)根据步骤2)获取的图像，读取上电极内每一点的光谱，记录在步骤1)确定的波长处每一点的发光强度，发光最强的位置即为导电细丝连接上电极的一端所在的位置，导电细丝定位完成。
2.如权利要求1所述的方法，其特征还包括，导电细丝定位完成后，对该阻变单元的导电细丝进行N次的通断操作，20≤N≤50，操作完成后，重复步骤2)-步骤3)，更新该阻变单元中导电细丝连接上电极的一端所在位置的发光强度并进行判定：若发光强度的增加值小于首次进行导电细丝定位时导电细丝连接上电极的一端所在位置发光强度的50％，则代表导电细丝通断正常，阻变单元处于工作状态，继续进行下一轮的N次通断操作；若发光强度的增加值大于等于首次进行导电细丝定位时导电细丝连接上电极的一端所在位置发光强度的50％，则代表导电细丝无法断开，阻变单元失效。
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