CN112289928A - 具有可控迁移路径的阻变存储器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有可控迁移路径的阻变存储器及其制作方法，其中，阻变存储器包括：上电极、阻变层、下电极和衬底；其中，所述上电极、所述阻变层、所述下电极和所述衬底依次叠放；所述阻变层具有晶体结构，所述衬底具有特定晶向，以提高RRAM器件的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种具有可控迁移路径的阻变存储器及其制作方法。
背景技术
阻变存储器(也成忆阻器，Resistive random-access memory，RRAM)是一种典型的非易失性存储器，具有结构简单、功耗低、器件工作速度快和可循环擦写等优点。这些优点使得阻变存储器RRAM能够应用于存算融合架构，成为实现人工神经网络的有力竞争者。
传统RRAM器件机理决定了器件电导随脉冲变化通常是非线性的，而器件的非线性和波动性等非理想因素都会显著降低神经网络学习的准确率。比如，RRAM器件的非一致性包括器件间波动性、循环间波动性和电导波动等。不论是训练网络还是映射权重，器件一致性差都会导致电导变化不可控，增加训练或者映射的难度，导致神经网络的准确率降低。因此实现可控的阻变存储器RRAM是未来脑网络计算发展的关键。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种具有可控迁移路径的阻变存储器，以提高RRAM器件的一致性。
本发明的第二个目的在于提出一种具有可控迁移路径的阻变存储器的制作方法。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种方法具有可控迁移路径的阻变存储器，包括：上电极、阻变层、下电极和衬底；其中，所述上电极、所述阻变层、所述下电极和所述衬底依次叠放；所述阻变层具有晶体结构，所述衬底具有特定晶向。
根据本发明的一个实施例，所述阻变层的晶体结构由氧四面体结构和氧八面体结构堆垛形成，并在所述氧四面体结构中形成规则排列的迁移路径。
根据本发明的一个实施例，所述阻变层为钙铁石材料。
根据本发明的一个实施例，所述阻变层可在钙铁石结构和钙钛矿结构之间转换。
根据本发明的一个实施例，所述衬底被转换为导体时可用作于所述下电极。
本申请能够利用阻变层的晶体结构和衬底的晶向，形成原子级规律排列的导电通道，为离子快速迁移提供条件，有效提高阻变存储器的一致性。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种具有可控迁移路径的阻变存储器的制作方法，包括：利用脉冲激光沉积在晶向衬底上生长下电极和阻变层，其中，所述阻变层具有晶体结构；在所述阻变层上方生长上电极。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例提供的一种具有可控迁移路径的阻变存储器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的晶向结构示意图；
图3为本发明实施例提供的阻变层结构变化的原理示意图；
图4为本发明实施例提供的氢离子迁移产生的阻变层结构变化的原理示意图；
图5为本发明实施例提供的一种具有可控迁移路径的阻变存储器的制作方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
相比于传统存储器的应用，为了保证计算的准确度和能效，存算一体化的应用对RRAM的器件特性提出了更高的要求。理想的存算一体RRAM器件需要电导体在一定范围内双向连续可调、开关比大、电导调控精度高、线性度高、对称性好、波动性/随机性低等要求，具有这些特性的器件也被称之为模拟型阻变存储器(analog RRAM)。
典型的阻变存储器RRAM根据运动离子的种类不同可分为氧空位(oxygenvacancies)的oxRAM和金属原子导电桥(conductive bridge)的CBRAM两大类，本质都是利用材料中的缺陷，在外部电场的作用下使阻变材料或电极中的离子越过迁移势垒，构成导电细丝。由于阻变层大多为非晶体，材料内部的氧空位分部不均，在电场作用下其运动方向和距离不可控制，导致器件均一性较差，随机性较大。
为了解决这个问题，本申请提出了一种具有可控迁移路径的阻变存储器及其制作方法。
下面参考附图描述本发明实施例的具有可控迁移路径的阻变存储器及其制作方法。
图1为本发明实施例提供的一种具有可控迁移路径的阻变存储器的结构示意图。如图1所示，具有可控迁移路径的阻变存储器100，包括上电极10、阻变层20、下电极30和衬底40。
其中，上电极10、阻变层20、下电极30和衬底40依次叠放，阻变层20具有晶体结构，衬底40具有特定晶向。
也就是说，阻变存储器100的底部为衬底40，在衬底40的上方设置下电极30，上电极10作为阻变存储器100的顶部结构，在上电极10和下电极30之间设置阻变层20。
可选的，如图2所示，衬底40的特定晶向可为示例的三种不同晶向，使得能够根据存算需求选择导电通道的位置和方向。应当理解的是，基于器件的工作原理，通常可控制迁移通路沿着上下电极方向，或者平行于上下电极方向等。由此，本申请能够利用阻变层的晶体结构和衬底的晶向，形成原子级规律排列的导电通道，为离子快速定向迁移提供条件，有效提高阻变存储器的一致性。
进一步地，阻变层20的晶体结构由氧四面体结构和氧八面体结构堆垛形成，并在氧四面体结构中形成规则排列的迁移路径。
可选的，阻变层20可为钙铁石材料，具体地，可为钙铁石氧化物晶体，例如SrFeO2.5、SrCoO2.5等。
需要说明的是，由氧四面体结构和氧八面体结构堆垛形成的晶体内部具有有序的原子一维空位通道，如图2所示，其中，该空位通道的方向是由衬底40的晶向决定的。
进一步地，阻变层20可在钙铁石结构和钙钛矿结构之间转换。
具体而言，以SrCoOx为例，该材料会根据氧的化学计量数不同而表现出不同的电学性质。如图3所示，随着氧含量的提高，钙铁石结构的SrCoO2.5晶体发生氧化反应开始向钙钛矿结构的SrCoO3改变，同时Co元素的价带回发生改变，使得晶体从半导体变为导体，从而在器件上表现出阻变特性。在这个过程中，原始的晶体结构不会被破坏，保证了氧离子始终沿固定的通路运动，从而提高了器件的一致性。
相应的，钙钛矿结构还可在失氧情况下发生还原反应转换为钙铁石结构，使得器件具有双向连续性。
需要说明的是，阻变存储器100可在电场的调控作用下，其内的阻变层20发生氧化或还原反应。
作为一个可行实施例，阻变层20在低温环境下进行结构改变。
需要说明的是，由于钙铁石结构的晶体结构特性，使得钙铁石氧化物可以在低温下完成拓扑相变，即，钙铁石结构与钙钛矿结构之间的结构转换。
可选的，下电极30可为三元氧化物SrRuO3，具有很好的导电特性，同时可以作为缓冲层减小阻变层20和衬底40之间的晶格不匹配问题。
作为一个可行实施例，可使用掺Nb的SrTiO3衬底，以实现将不导电的衬底40变成导体，同时充当衬底40和下电极30，从而有效降低生产成本和复杂度。
另外，由于相比于氧原子，氢原子具有更小的原子直径、更快的迁移速度，因此，可以用来制作工作速度更高的RRAM器件。同样以SrCoOx为例，如图4所示，利用离子液体电场调控的方法在晶格中插入氢离子以制备H SrCoO2.5薄膜，并将其作为阻变层20，采用薄膜材料相匹配的磁性金属，例如钴、镍等。
进一步地，在使用氢原子作为迁移离子时，阻变存储器100还可在磁场的调控作用下发生离子迁移，进一步丰富了器件的操控方式，提高应用能力。
由此，采用本申请实施例提出的具有晶体结构的钙铁石结构作为阻变层，能够选择多种迁移离子，具有在RRAM器件中普遍应用的能力。
为了实现上述目的，本申请还提出了一种具有可控迁移路径的阻变存储器的制作方法。
图5为本发明实施例提供的一种具有可控迁移路径的阻变存储器的制作方法的流程图。如图5所示，具有可控迁移路径的阻变存储器的制作方法，包括以下步骤：
S101：利用脉冲激光沉淀在晶向衬底上生长下电极和阻变层，其中，阻变层具有晶体结构。
S102：在阻变层上方生长上电极。
具体地，可通过选择适当的激光波长、脉冲重复频率，控制最佳的能量密度、氧压、基片衬底的温度以及基片与靶材之间的距离等，能够制备出高质量的外延薄膜。后续通过光刻、金属蒸镀/溅射、剥离的方法做出上电极。
由此，按照本申请实施例提出的具有可控迁移路径的阻变存储器的制作方法制作的阻变存储器，能够利用阻变层的晶体结构和衬底的晶向，形成原子级规律排列的导电通道，为离子快速迁移提供条件，使得采用本申请结构的阻变存储器具有较好的一致性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种具有可控迁移路径的阻变存储器，其特征在于，包括：上电极、阻变层、下电极和衬底；
其中，所述上电极、所述阻变层、所述下电极和所述衬底依次叠放；
所述阻变层具有晶体结构，所述衬底具有特定晶向。
2.根据权利要求1所述的具有可控迁移路径的阻变存储器，其特征在于，所述阻变层的晶体结构由氧四面体结构和氧八面体结构堆垛形成，并在所述氧四面体结构中形成规则排列的迁移路径。
3.根据权利要求1或2所述的具有可控迁移路径的阻变存储器，所述阻变层为钙铁石材料。
4.根据权利要求3所述的具有可控迁移路径的阻变存储器，其特征在于，所述阻变层可在钙铁石结构和钙钛矿结构之间转换。
5.根据权利要求1所述的具有可控迁移路径的阻变存储器，其特征在于，所述衬底被转换为导体时可用作于所述下电极。
6.一种具有可控迁移路径的阻变存储器的制作方法，其特征在于，包括：
利用脉冲激光沉积在晶向衬底上生长下电极和阻变层，其中，所述阻变层具有晶体结构；
在所述阻变层上方生长上电极。
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