CN108362959A - 一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子的技术领域，更具体地，涉及一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统及方法。一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统，其中，测试样品的结构仅包括导电衬底和阻变介质层。由于导电原子力显微镜的探针半径通常为20nm左右，因此本发明可以用来检测纳米级尺寸微小电极下器件特性。增加导电原子力显微镜的限流功能，可以检测不同限流下的忆阻特性。进一步利用导电原子力显微镜的扫描功能，可以探测薄膜阻变特性的均匀性；该测试方法提供了一种便捷的薄膜阻变特性检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及微电子的技术领域，更具体地，涉及一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统及方法。
背景技术
阻变存储器件是利用阻变层材料随着外加电场的变化而发生阻态转换，从而实现信息的记录与存储。阻变存储器件具有结构简单、操作速度快、功耗低等特点，有望大幅提高存储密度。但是阻变存储器普遍存在一些问题，例如其微观物理机制层出不穷，器件I-V特性曲线中会出现Reset电流较高，这会使器件功耗变高。另外，器件的不稳定性和均匀性等问题也急待解决。这些都要求对阻变器件的原型器件进行快速的检测，分析其阻变机理，以及阻变特性和均匀性。近些年来，随着人工智能和神经网络计算系统的兴起，具有电阻连续可调变化的忆阻器件成为关注的焦点，同样面临特性的快速检测和机理分析的困境。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统及方法，利用了导电原子力显微镜测试系统，将导电原子力显微镜的探针作为阻变单元的顶电极，进行阻变介质层阻变特性的快速检测，通过扫描的方式可以快速检测阻变特性的均匀性等特性。
本发明的技术方案是：一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统，其中，测试样品的结构仅包括导电衬底和阻变介质层。本发明的测试样品为导电衬底及其沉积在导电衬底之上的阻变介质层；本发明的检测方法，使用导电原子力显微镜测试系统；
进一步的，所述的导电衬底为底电极，导电原子力显微镜的探针为顶电极，顶电极的大小与探针的直径相关，导电原子力显微镜的探针直径为20nm。
导电原子力显微镜的导电探针作为阻变单元的顶电极，实现微区电流-电压特性测试，以及扫描功能，快速检测阻变介质层的阻变特性和分布均匀性等信息。
进一步的，所述的导电原子力显微镜可加入电流限制装置。在导电原子力显微镜系统中，添加限流功能，可防止由于电流过大导致阻变介质层击穿。
进一步的，所述的导电原子力显微镜的探针表面可以覆盖不同的金属镀层，检测不同金属电极情况下阻变特性的变化。采用探针固定的模式，实现对微小区域阻变电压-电流特性的测试；也可以采用扫描模式对阻变特性分布的均匀性进行表征。通过改变导电原子力显微镜中导电探针表面覆盖的金属种类的不同，可以检测不同种金属电极对阻变特性的影响。
利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统的方法，其中，包括以下步骤：
S1.衬底Si++采用丙酮、异丙醇和去离子水分别超声清洗5分钟，以去除衬底表面沾污的杂质，用氮气吹干备用；
S2. 然后在底电极上采用溶液燃烧涂布工艺制备阻变介质层NiO。
与现有技术相比，有益效果是：由于导电原子力显微镜的探针半径通常为20nm左右，因此本发明可以用来检测纳米级尺寸微小电极下器件特性。增加导电原子力显微镜的限流功能，可以检测不同限流下的忆阻特性。进一步利用导电原子力显微镜的扫描功能，可以探测薄膜阻变特性的均匀性；该测试方法提供了一种便捷的薄膜阻变特性检测方法。
附图说明
图1是本发明实施例中Si++/NiO忆阻器的测试示意图。
图2是本发明实施例中Si++/NiO忆阻器的阻变介质层NiO高清TEM图。
图3是本发明实施例中Si++/NiO忆阻器导电原子力显微镜连续正偏压测试下的电流-电压曲线。
图4是本发明实施例中Si++/NiO忆阻器导电原子力显微镜在连续负偏压测试下的电流-电压曲线。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
图1是本发明实施例中Si++/NiO忆阻器的结构示意图。包括衬底（底电极）Si++，阻变介质层NiO，和用作顶电极的导电原子力显微镜 （C-AFM）的探针。本发明实施例中Si++/NiO纳米忆阻器的具体制备工艺流程如下：
1.对本发明使用的衬底（底电极）Si++采用丙酮、异丙醇和去离子水分别超声清洗5分钟，以去除衬底表面沾污的杂质，用氮气吹干备用。
2.然后在底电极上采用溶液燃烧涂布工艺制备阻变介质层NiO, 具体的工艺条件如下：
称取290.8mg的Ni(NO3)2∙5H2O 做氧化剂和金属离子源，滴入5ml的二甲氧基乙醇做溶剂，然后滴入200μl的乙酰丙酮做燃烧剂，最后加入100μl的氨水做稳定剂。在室温下搅拌20个小时使溶液均匀透明，采用20μm的过滤器对溶液进行过滤，最后静置一段时间得到含有Ni元素的前驱体溶液。采用溶液燃烧法涂布工艺在衬底上旋涂制备NiO阻变介质层：设置匀胶机的转速/时间为4300 rpm /30s，将前驱体溶液旋涂在衬底Si++上，然后迅速将衬底转移到加热板上在300 度下烘烤30分钟，在旋涂下一层薄膜之前再用O2的等离子对薄膜表面进行处理以提高表面的亲水性，将该过程重复五次，以获得~50nm厚的NiO阻变介质层薄膜，最后将薄膜在350℃下空气氛围中后退火0.5小时。
图2是本发明实施例中Si++/NiO忆阻器的阻变介质层NiO高清的TEM图片，本发明实施例中阻变介质层NiO为多晶态。
通过导电原子力显微镜（C-AFM）对本实施例中获得的忆阻器件Si++/NiO进行电学性能的测试，以导电原子力显微镜的探针做顶电极，针尖材料为Pt/Ir。测试的结果如图3和4所示。
图3是本发明实施例中Si++/NiO忆阻器在正偏压扫描下的电流-电压（I-V）曲线。在测试过程中，对Si++底电极施加正偏压并保持顶电极Pt/Ir（C-AFM探针）接地。在连续的正偏置电压的扫描下（0→0.2V→0V）电流逐渐曾加。
图4是本发明实施例中Si++/NiO忆阻器在负偏压扫描下的电流-电压（I-V）曲线。在测试过程中，对Si++底电极施加负偏压并保持顶电极Pt/Ir（C-AFM探针）接地。在连续的负偏置电压的扫描下（0→-0.2V→0V）电流逐渐减小。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统，其特征在于，测试样品的结构仅包括导电衬底和阻变介质层。
2.根据权利要求1所述的一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统，其特征在于：所述的导电衬底为底电极，导电原子力显微镜的探针为顶电极，顶电极的大小与探针的直径相关，导电原子力显微镜的探针直径为20nm。
3.根据权利要求2所述的一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统，其特征在于：所述的导电原子力显微镜可加入电流限制装置。
4.根据权利要求2所述的一种利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统，其特征在于：所述的导电原子力显微镜的探针表面可以覆盖不同的金属镀层，检测不同金属电极情况下阻变特性的变化。
5.权利要求1所述的利用导电原子力显微镜装置检测薄膜忆阻特性的检测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.衬底Si++采用丙酮、异丙醇和去离子水分别超声清洗5分钟，以去除衬底表面沾污的杂质，用氮气吹干备用；
S2. 然后在底电极上采用溶液燃烧涂布工艺制备阻变介质层NiO。
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