CN107610733A - 一种降低阻变存储器形成电压的电形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低阻变存储器形成电压的电形成方法，包括如下步骤：对所述阻变存储器施加正向电压，在所述阻变存储器中形成由所述活性电极指向所述惰性电极电场；对所述阻变存储器施加反向电压，在所述阻变存储器中形成由所述惰性电极指向所述活性电极电场；循环上述步骤多次，直至实现对氧化物层的软击穿，在氧化物中形成导电丝，完成电形成过程；正向电压大于反向电压。正向电压实现氧离子的部分移动，带电氧空位部分积累；反向电压实现电子跃过势垒，中和带电氧空位，通过重复施加正向电压和反向电压，实现中性氧空位积累，实现阻变存储器的软击穿，又由于正、负向电压均小于正常形成电压，故降低了电形成步骤的操作电压。
Description
技术领域
本发明属于阻变存储器技术领域，更具体地，涉及一种降低阻变存储器形成电压的电形成方法。
背景技术
阻变存储器最基本的结构是由上下电极和中间功能层组成的“三明治”结构，其具有可缩小性好、存储密度高、读写速度快、结构简单、与CMOS工艺兼容等优势，已广泛被认为是作为下一代存储器的候选者。阻变存储器由最开始的初始状态进入低阻状态需要一个很高的形成电压，使单元软击穿，形成导电丝。由于较高的形成电压会提高外围电路的复杂程度，降低器件的可靠性，不利于阻变存储器的产业推广。为推动阻变存储器的产业化，急需降低器件形成电压的方法。
现有降低阻变存储器形成电压的方法是采用溅射或者原子层淀积的工艺生长氧化物存储材料时，通过工艺调控减少氧化物中氧元素的含量，使氧化物材料中存在大量的氧空位，从而降低阻变存储器所需要的形成电压。或是依次制备惰性下电极、氧化物层和活性上电极，然后在缺氧气氛退火，在氧化物层和活性电极层之间形成含有缺陷的界面层，从而降低形成电压。
在这两种方法中，均是在氧化物层引入大量的氧空位缺陷，从而使单元更容易形成导电丝，降低形成电压。不过，由于大量氧空位的引入，会导致器件的高阻态电阻较低，进而导致阻变存储器的窗口很窄，增加器件的误码率。同时，大量氧空位的引入也会使器件的保持时间缩短，可擦写次数减少，器件的整体性能变差。因此需要研究一种在保持器件性能前提下，可有效降低形成电压的方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种降低阻变存储器形成电压的电形成方法，其目的在于解决现有的方法由于采用引入大量的氧空位缺陷而导致不能再降低形成电压同时兼顾良好的器件性能的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种降低阻变存储器形成电压的电形成方法，阻变存储器包括依次排列的活性电极、氧化物层以及惰性电极，包括如下步骤：
S1对阻变存储器施加正向电压，在阻变存储器中形成由活性电极指向惰性电极电场；促使氧离子向活性电极的移动，在氧化物层中产生部分带电的氧空位，
S2对阻变存储器施加反向电压，在阻变存储器中形成由惰性电极指向活性电极电场；促使电子跃过活性电极的界面势垒，中和氧化物层中的带电氧空位，在靠近活性电极与氧化物层界面的氧化物层形成中性氧空位，实现中性氧空位积累；
S3判断所述阻变存储器的电流是否出现跃迁，若是，在所述氧化物层中形成导电丝，电形成过程完成，否则进入步骤S1；
其中，正向电压小于正常形成电压，正向电压大于反向电压；正常形成电压通过向阻变存储器施加电压在阻变存储器中形成由活性电极指向惰性电极电场使得阻变存储器软击穿获得。
优选地，步骤S1中对阻变存储器施加正向电压通过对活性电极施加正电压同时惰性电极接地实现或通过对惰性电极施加负电压同时活性电极接地实现。
优选地，步骤S2中对阻变存储器施加反向电压通过对活性电极施加负电压同时惰性电极接地实现或通过对惰性电极施加正电压同时活性电极接地实现。
优选地，阻变存储器为没有进行过任何电学测试的阻变存储器，且阻变存储器的电阻是制备后的初始状态电阻。
优选地，反向电压根据阻变存储器的材料以及制备工艺确定。
优选地，在阻变存储器电形成过程中，阻变存储器两极电压波形为交流形式电压波形。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明中，首先对活性电极施加一较高正电压，促使氧化物层中氧离子在电场力的作用下向活性电极移动，但此电压相对于阻变存储器施加一次电压就会导致单元软击穿的正常形成电压低，所以不能导致氧化物层中氧离子发生大范围快速移动，即阻变存储器单元不会形成软击穿，氧离子向活性电极的移动就会在氧化物层中产生部分带电的氧空位。
接着对活性电极施加较低的反向负电压，促使电子跃过活性电极的界面势垒，中和氧化物层中的带电氧空位电荷，在靠近活性电极与氧化物层界面的氧化物层形成中性氧空位。
多次正负电压循环后，在活性电极与氧化物层界面位置就会出现大量中性氧空位的积累，最终就会导致氧化物层相分解，进而实现氧化物层软击穿，形成导电丝，实现阻变存储器单元的电形成。此过程对阻变存储器单元施加的正向电压幅值、反向电压幅值均低于施加一次电压就会导致单元软击穿的正常形成电压，所以实现了阻变存储器形成电压的降低。
2、另外本发明是优化阻变存储器的电形成过程，故降低阻变存储器形成电压后，不会使存储器的窗口变窄，也不会降低器件的可靠性。
3、本发明提供的降低阻变存储器形成电压的方法，与器件的制备过程无关，操作简单，便于实现。
4、本发明实现了阻变存储器形成电压的降低，简化了外围电路的结构设计，节省了成本。
附图说明
图1为本发明提供的降低阻变存储器形成电压的方法所基于的装置结构示意图；
图2为本发明提供的降低阻变存储器形成电压的电形成方法的流程图；
图3为采用本发明提供的电形成方法对阻变存储器进行电形成的效果示意图；其中，图3(a)为阻变存储器两极电压波形示意图，图3(b)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形与现有电形成方法(直流形成)的电形成波形比较示意图；
图4为采用本发明提供的电形成方法对Pt/HfO2/Ti阻变存储器进行电形成的效果图；其中，图4(a)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形，图4(b)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形与现有电形成方法(直流形成)的电形成波形比较图；
图5为采用本发明提供的电形成方法对TiN/HfO2/Ti阻变存储器进行电形成的效果图；其中，图5(a)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形，图5(b)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形与现有电形成方法(直流形成)的电形成波形比较图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明提供的降低阻变存储器形成电压的电形成方法所基于的装置结构示意图；阻变存储器包括活性电极、惰性电极以及氧化物层，电极为非对称电极，非对称电极对应的阻变存储器是双极性的，即器件的set和reset过程所需要的电压极性是相反的，例如：set过程需要的电压是正向，则reset过程需要的电压为负向。另外，其电形成过程所需要的电压极性是确定的，即电形成时，活性电极电压高于惰性电极电压，在氧化物层产生足够的电场，驱使氧离子向活性电极移动，从而产生导电丝，实现电形成。
图2为本发明提供的降低阻变存储器形成电压的电形成方法的流程图，在实施本发明提供的降低阻变存储器形成电压的电形成方法时，让测试仪器的电源端与活性电极连接，惰性电极接地，阻变存储器是没有进行过任何电学测试的阻变存储器，阻变存储器的电阻是制备后的初始状态电阻，该方法包括如下步骤：
S1先对活性电极施加一个较高的正电压，实现对阻变存储器施加正向电压，在阻变存储器中形成由活性电极指向惰性电极电场。此时注意设置合适的限制电流，防止器件击穿。其中，正向电压的幅值小于正常形成电压，正常形成电压通过向阻变存储器施加电压在阻变存储器中形成由活性电极指向惰性电极电场使得阻变存储器软击穿获得，正常形成电压幅值与电极、氧化层厚度等有关。
S2接着对阻变存储器的活性电极施加一个低的负电压，实现对阻变存储器施加反向电压，在阻变存储器中形成由惰性电极指向活性电极电场。其中，反向电压的幅值小于正向电压的幅值；施加低的负电压的幅值根据不同的惰性电极不同、器件材料制备工艺等参数有关，其数值范围为0.5～1.5V。
S3然后循环S1、S2步骤多次，直至实现对氧化物层的软击穿，在氧化物层中形成导电丝。
根据发明提供的电形成方法中阻变存储器两极电压波形可将该过程称为“交流形成”过程。而现有技术中通过在通过向阻变存储器施加电压在阻变存储器中形成由活性电极指向惰性电极电场使得阻变存储器软击穿的过程成为“直流形成”过程。
图3为采用本发明提供的电形成方法对阻变存储器进行电形成的效果示意图；其中，图3(a)为阻变电阻器阻变存储器两极电压波形示意图，其中，阻变存储器两极电压波形是是一条正负向幅值不同三角波曲线。三角波电压曲线正向幅值高，负向幅值低。施加的电压曲线，正向电压实现氧离子的部分移动，此时阻变存储器并未实现软击穿，带电氧空位部分积累；反向电压实现电子跃过势垒，中和带电氧空位，通过重复向阻变存储器施加正向电压和反向电压，实现中性氧空位积累，最终实现阻变存储器的软击穿。反向电压不能太大，这样不利于电形成，因为正向电压是使氧离子进入活性电极，出现氧空位，反向电压要小，进而使氧离子不向惰性电极方向移动，反向电压的目的只是中和带电氧空位电荷。由于三角波的正向幅值和负向电压幅值均小于正常形成电压的幅值，故循环多次正向电压和负向电压后，阻变存储器实现电形成的形成电压小于正常形成电压。另外本发明是在阻变存储器完成制备后优化其电形成过程，故降低阻变存储器形成电压后，不会使存储器的窗口变窄，也不会降低器件的可靠性。
图3(b)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形与现有电形成方法(直流形成)的电形成波形比较示意图；施加交流电压多个周期后，器件实现电形成，此过程施加的电压幅值明显小于施加直流电压实现电形成的幅值，即通过这种交流电压电形成方法实现阻变存储器形成电压的降低。
本示意图采用的是三角波电压曲线，但本发明的中心是施加交流电压，先引起部分带电氧空位的积累，然后电子跃过势垒，中和带电氧空位，从而实现中性氧空位的积累，达到降低形成电压的目的，所以电压形式为交流就可以实现，即阻变存储器两极电压波形可以为三角波、正弦波和脉冲波。
在实施本发明提供的降低阻变存储器形成电压的电形成方法时，也可以让测试仪器的电源端与惰性电极连接，活性电极接地，在这种连接方式下，通过对惰性电极施加一个较高的负电压，实现对阻变存储器施加正向电压，通过对阻变存储器的惰性电极施加一个低的正电压，实现对阻变存储器施加反向电压。
本发明实施例采用的阻变存储器结构如下：下电极为Pt，中间功能层为HfO2，上电极为Ti。图4为采用本发明提供的电形成方法对Pt/HfO2/Ti阻变存储器进行电形成的效果图。图4(a)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形，本实施例中上电极接半导体测试仪电源，下电极接地。上电极为Ti，是活性电极，所以施加的交流电源中，正向电压是正电压，反向电压是负电压。本实施例中，正向电压为6V，反向电压为-1.5V，施加交流电压5个周期。可见，在第五个周期施加正向电压时，单元实现电形成，其形成电压为5V。图4(b)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形与现有电形成方法(直流形成)的电形成波形比较图，从图4(b)中可以看出，向阻变存储器施加一次电压完成电形成过程，即直流形成方式中，扫描电压达到7V时，电流突然跃迁，达到限流水平；向阻变存储器施加交流电压完成电形成过程，即交流形成方式中，扫描电压在5V时，电流就出现突然跃迁。交流形成需要的形成电压比直流形成低2V，实现了形成电压约30％的降低。
本发明的另一个实施例采用的阻变存储器结构是：下电极为Ti，中间功能层为HfO2，上电极为TiN。实施例中上电极接半导体测试仪电源，下电极接地。本结构中上电极为惰性电极，所以施加的交流电源中，正向电压是负电压，反向电压是正电压。图5(a)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形，负电压为-2.8V，积累带电氧空位，正电压为1.5V，中和带电氧空位电荷，形成中性氧空位的积累，实现形成电压的降低。先施加正向电压，然后施加反向电压，在第7个周期，单元实现电形成，形成电压为2.8V。图5(b)为本发明提供的电形成方法(交流形成)的电形成波形与现有电形成方法(直流形成)的电形成波形比较图，直流形成方式中，扫描电压达到4V时，电流突然跃迁；交流形成方式中，扫描电压在2.8V突然跃迁。交流形成需要的形成电压比直流形成低1.2V，实现了形成电压30％的降低。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种降低阻变存储器形成电压的电形成方法，其特征在于，所述阻变存储器包括依次排列的活性电极、氧化物层以及惰性电极，包括如下步骤：
S1对所述阻变存储器施加正向电压，在所述阻变存储器中形成由所述活性电极指向所述惰性电极电场；促使氧离子向活性电极的移动，在氧化物层中产生部分带电的氧空位；
S2对所述阻变存储器施加反向电压，在所述阻变存储器中形成由所述惰性电极指向所述活性电极电场；促使电子跃过活性电极的界面势垒，中和氧化物层中的带电氧空位，在靠近活性电极与氧化物层界面的氧化物层形成中性氧空位，实现中性氧空位积累；
S3判断所述阻变存储器的电流是否出现跃迁，若是，在所述氧化物层中形成导电丝，电形成过程完成，否则进入步骤S1；
其中，所述正向电压小于所述正常形成电压，所述正向电压大于所述反向电压；所述正常形成电压通过向阻变存储器施加电压在阻变存储器中形成由活性电极指向惰性电极电场使得阻变存储器软击穿获得。
2.如权利要求1所述的电形成方法，其特征在于，所述步骤S1中对所述阻变存储器施加所述正向电压通过对所述活性电极施加正电压同时使所述惰性电极接地实现或通过对所述惰性电极施加负电压同时使所述活性电极接地实现。
3.如权利要求1或2所述的电形成方法，其特征在于，所述步骤S2中对所述阻变存储器施加所述反向电压通过对所述活性电极施加负电压同时使所述惰性电极接地实现或通过对所述惰性电极施加正电压同时使所述活性电极接地实现。
4.如权利要求1至3任一项所述的电形成方法，其特征在于，所述阻变存储器为没有进行过任何电学测试的阻变存储器，且所述阻变存储器的电阻是制备后的初始状态电阻。
5.如权利要求1至4任一项所述的电形成方法，其特征在于，所述反向电压根据阻变存储器的材料以及制备工艺确定。
6.如权利要求1至5任一项所述的电形成方法，其特征在于，在所述阻变存储器电形成过程中，所述阻变存储器两极电压波形为交流形式电压波形。
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