CN113793899B - 一种基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法及应用，包括：在选择器的阻变层和顶电极之间引入中间电极层；其中，顶电极中的活性电极材料为Ag或Cu；阻变层材料为薄层氧化物或经过氧处理的薄层二维材料；中间电极层材料为钛、钽、铝等活性电极材料；中间电极层与阻变层接触时，中间电极层中的活性电极材料会夺取阻变层中的氧发生氧化作用从而转变为非晶氧化层，以限制来源于顶电极中的活性阳离子迁移，从而限制导电丝的生长；且中间电极层为厚度不均的薄膜，与顶电极的接触面不平整，使得顶电极与阻变层之间形成点接触，导电丝生长倾向于在点接触处发生，进一步限制了导电丝生长的随机性；本发明工艺简单，大大改善了选择器的性能。

Description

一种基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法及应用
技术领域
本发明属于微电子器件领域，更具体地，涉及一种基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法及应用。
背景技术
忆阻器因其高速、低功耗、结构简单、易集成、与cmos工艺兼容等优点，在非易失性存储、逻辑运算、类脑计算等方面具有巨大的潜力。然而在忆阻器交叉阵列结构中对目标单元进行写擦操作时，邻近单元可能会存在泄漏电流从而造成写擦的误操作。为了避免阵列中泄漏电流的影响，常常在每个交叉单元上给忆阻器串联一个选择器构成1S1R结构，以提高阵列操作的准确性。
为保证阵列目标单元正确的读写操作，选择器一般要求具有良好的阈值转变特性，如较大的开关比，较高的ON态电流，较低的OFF态电流，较好的循环间及器件间稳定性等等。目前最受关注的选择器大多是基于金属导电丝(通常为Ag丝或Cu丝)的形成与自发熔断来工作的，但由于导电丝的通断具有极大的随机性，且随着循环次数的增多容易造成Ag或Cu在阻变层中的过量注入，故在循环稳定性，开关比，OFF态电流等方面表现不佳，所以开发一种可调控导电丝通断来改善随机性的方法成为目前研究工作的热点。
现有的基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法包括在电极/阻变层界面插入带有纳米孔缺陷的石墨烯、或将活性电极Ag更换为Ag纳米点，虽然其在一定程度上控制了导电丝的局域生长，提升了选择器稳定性，但对于工艺处理参数的要求仍较为繁琐，故寻求更为简便可行的选择器优化方法仍具有一定研究意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法及应用，用以解决现有技术无法以简单的工艺来降低选择器中导电丝通断的随机性从而改善选择器性能的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法，包括：
在选择器的阻变层和顶电极之间引入中间电极层；其中，顶电极中的活性电极材料为Ag或Cu；阻变层为含氧阻变层，其材料为薄层氧化物或经过氧处理的薄层二维材料；中间电极层的材料为活性电极材料，包括钛、钽或铝；
中间电极层与阻变层接触时，中间电极层中的活性电极材料与阻变层中的氧发生氧化作用，使得中间电极层转变为非晶氧化层，以限制来源于顶电极的活性阳离子的迁移，从而限制导电丝的生长；且此时中间电极层为厚度不均的薄膜，与顶电极的接触面不平整，使得顶电极与阻变层之间形成点接触，从而进一步限制导电丝生长的随机性。
进一步优选地，中间电极层的最大厚度不超过10nm。
进一步优选地，上述中间电极层通过电子束蒸发生长而成。
第二方面，本发明提供了一种基于导电丝生长的选择器，包括自下而上设置的衬底、底电极、阻变层、中间电极层和顶电极；顶电极包括自下而上设置的活性电极层和惰性保护电极；其中，顶电极中的活性电极材料为Ag或Cu；阻变层为含氧阻变层，其材料为薄层氧化物或经过氧处理的薄层二维材料；中间电极层的材料为活性电极材料，包括钛、钽或铝；
中间电极层与阻变层接触时，中间电极层中的活性电极材料与阻变层中的氧发生氧化作用，使得中间电极层转变为非晶氧化层，以限制来源于顶电极的活性阳离子的迁移，从而限制导电丝的生长；且此时中间电极层为厚度不均的薄膜，与顶电极的接触面不平整，使得顶电极与阻变层之间形成点接触，从而进一步限制导电丝生长的随机性。
进一步优选地，中间电极层的最大厚度不超过10nm。
进一步优选地，阻变层的厚度为3～15nm。
进一步优选地，上述底电极为金、钛、铂、铬其中一种金属或两种金属叠加而成的多层电极。
第三方面，本发明提供了第二方面所述的基于导电丝生长的选择器的制备方法，包括：
S1、在衬底上进行金属薄膜沉积得到底电极；
S2、在底电极上制备得到阻变层；阻变层为含氧阻变层，其材料为薄层氧化物或经过氧处理的薄层二维材料；
S3、在阻变层上沉积活性电极；阻变层上沉积的活性电极包括钛、钽或铝；此时，阻变层上的活性电极与阻变层中的氧发生氧化作用转变为非晶氧化层，得到厚度不均的薄膜，即中间电极层；
S4、在中间电极层上依次沉积活性电极层和惰性保护电极，得到顶电极；其中，顶电极与中间电极层的接触面不平整；顶电极中活性电极层的材料为Ag或Cu。
进一步优选地，中间电极层的最大厚度不超过10nm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法，在选择器的阻变层和顶电极间引入中间电极层，其中阻变层为含氧薄层材料，所引入的中间电极层材料为钛、钽、铝等易氧化的活性电极材料，故中间电极层中的活性电极与含氧阻变层接触时，氧原子会迁移到中间电极层将其氧化成为连续非晶氧化层，限制了外加偏压下来源于顶电极氧化得到的活性阳离子(Ag+或Cu2+)的迁移，从而限制导电丝的生长；且此时中间电极层为厚度不均一的薄膜，使得中间电极层与顶电极之间产生不平整的、凹凸不一的界面，从而在顶电极与阻变层距离较近处容易形成顶电极与阻变层的点接触，在外加偏压情况下点接触处产生极强的局域电场，导电丝容易在点接触处与对应位置底电极之间发生通断，而非点接触处由于电场较弱以及非晶氧化层的阻挡而不易发生通断，从而控制了导电丝在固定某些区域的通断，进一步限制了导电丝生长的随机性。本发明制备工艺简单，降低了导电丝通断随机性，解决了现有选择器循环稳定性差、OFF态电流不稳定，SET和RESET电压分布不集中等诸多问题，大大改善了选择器的性能。
2、本发明所提供的基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法中，中间电极层可以和顶电极中的活性电极、惰性保护电极一起直接通过电子束蒸发堆叠在阻变层上，制备过程简单快捷。
3、本发明所提供的基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法中，超薄中间电极层可为钛、钽、铝等其中的一种金属，阻变层可为薄层氧化物或经过氧处理的薄层二维材料等含氧薄膜，均适用于本发明所提出的方法，具有普适性。
附图说明
图1为本发明第二方面所提供的基于导电丝生长的选择器的结构示意图；
图2为本发明实施例1所提供的基于导电丝生长的选择器的结构示意图；
图3为本发明所提供的实施例1和对比例1的直流循环I-V特性曲线；其中，(a)为实施例1的直流循环I-V特性曲线，(b)为对比例1的直流循环I-V特性曲线；
图4是本发明所提供的实施例1在不同限制电流下的阈值转变I-V特性曲线图；
图5是本发明所提供的的实施例2和对比例2的直流循环I-V特性曲线；其中，(a)为实施例2的直流循环I-V特性曲线，(b)为对比例2的直流循环I-V特性曲线。
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。
第一方面，本发明提供了一种基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法，包括：
在选择器的阻变层和顶电极之间引入中间电极层；其中，顶电极中的活性电极材料为Ag或Cu；阻变层为含氧阻变层，其材料为薄层氧化物或经过氧处理的薄层二维材料；中间电极层的材料为活性电极材料，包括钛、钽或铝等易氧化的活性电极材料；
一方面，中间电极层厚度极薄(最大厚度不超过10nm)，且为易于氧化的活性电极，中间电极层与含氧阻变层接触时，含氧阻变层中的氧原子会迁移到中间电极层中将其氧化成为超薄非晶氧化层，以限制来源于顶电极氧化得到的活性阳离子的迁移，从而限制导电丝的生长。
另一方面，此时中间电极层为厚度不均的薄膜，与顶电极之间存在不平整的界面，从而在顶电极与阻变层距离较近处接近形成顶电极与阻变层的点接触，在外加偏压下点接触处产生更强的局域电场，导电丝更倾向于在点接触处与对应位置底电极之间发生通断，从而有效地调控了导电丝在固定区域的通断，使得选择器在循环稳定性、开关比等关键性能参数上有所改善。本实施例中，将中间电极层的厚度设置为3nm，制备完成后得到厚度不均一的薄膜，从而使得超薄活性电极层与顶电极之间产生不平整的、凹凸不一的界面。
进一步地，在一种可选实施方式中，中间电极层通过电子束蒸发生长而成。
第二方面，本发明提供了一种基于导电丝生长的选择器，如图1所示，包括自下而上设置的衬底、底电极、阻变层、中间电极层及顶电极；顶电极为多层结构顶电极，包括自下而上设置的活性电极层和惰性保护电极；其中，顶电极中的活性电极材料为Ag或Cu；阻变层为含氧阻变层，其材料为薄层氧化物或经过氧处理的薄层二维材料；中间电极层的材料为活性电极材料，包括钛、钽或铝；
中间电极层为厚度极薄(最大厚度不超过10nm)，其与阻变层接触时，中间电极层中的活性电极材料会夺取阻变层中的氧发生氧化作用，使得中间电极层转变为非晶氧化层，以限制来源于顶电极的活性阳离子的迁移，从而限制导电丝的生长；且此时中间电极层为厚度不均的薄膜，与顶电极的接触面不平整，使得顶电极与阻变层之间形成点接触，点接触处由于电场集中，导电丝生长会倾向于在点接触处发生，从而限制导电丝生长的随机性。
具体地，在顶电极施加正向偏压作用下，顶电极中的Ag或Cu在点接触处被氧化，所得Ag+或Cu2+在电场作用下向底电极迁移，并在底电极附近得到电子被逐步还原，从而在底电极和顶电极之间形成导电细丝通路，发生高阻态向低阻态的突变；并在电压逐步撤去的过程中发生导电丝的自发熔断，器件由低阻态又易失回高阻态，即具有选择器典型的易失性阈值转变特性。
本实施例中，阻变层的厚度为3～15nm；底电极为金、钛、铂、铬其中一种金属或两种金属叠加而成的多层电极。
第三方面，本发明提供了第二方面所述的基于导电丝生长的选择器的制备方法，包括：
S1、在衬底上进行金属薄膜沉积得到底电极；
S2、在底电极上制备得到阻变层；阻变层为含氧阻变层，其材料为薄层氧化物或经过氧处理的薄层二维材料；
S3、在阻变层上沉积活性电极；阻变层上沉积的活性电极包括钛、钽或铝；此时，阻变层上的活性电极与阻变层中的氧发生氧化作用转变为非晶氧化层，得到厚度不均的薄膜(最大厚度不超过10nm)，即中间电极层；
S4、在中间电极层上依次沉积活性电极层和惰性保护电极，得到顶电极；其中，顶电极与中间电极层的接触面不平整；顶电极中活性电极层的材料为Ag或Cu。
为了进一步说明本发明所提供的选择器，以顶电极中活性电极的材料为Ag，通过调控Ag丝生长来优化选择器的性能为例，结合实施例进行说明：
实施例1、
本实施例中，通过调控Ag丝生长改善性能的优化选择器具有如图2所示结构。衬底采用硅衬底；底电极采用钛和铂构成的双层结构，钛为10nm，铂为30nm，其中钛与硅衬底接触作为粘附层，铂生长在钛上面；阻变层采用薄层二维材料HfSe2，通过氧等离子体处理使其氧化为含氧的HfSe2-xOx；中间电极层选用Ti电极，生长设置厚度为3nm；顶电极中，Ag电极生长在中间电极层上面，厚度为50nm；惰性保护电极位于Ag电极之上，采用Au电极，厚度为10nm。
本实施例中，采用光刻、电子束蒸发、二维材料定向转移、氧等离子体处理制备出可通过调控Ag丝生长改善性能的优化选择器，具体包括以下步骤：
(1)用丙酮、乙醇、去离子水依次分别超声清洗硅衬底10min，重复清洗3次，并用氮气枪将清洗过的硅衬底吹干。
(2)在硅衬底上匀胶后利用紫外光刻技术进行图案化处理，显影得到底电极图案，线宽为5um；随后采用电子束蒸发10/30nm的钛/铂电极，利用丙酮进行lift-off处理得到图案化的钛/铂底电极。
(3)利用二维材料转移平台进行干法转移，将机械剥离得到的HfSe2薄片定向转移到底电极上；随后在反应离子刻蚀机真空腔室内对HfSe2进行氧等离子体处理，设置流量为50sccm，功率50w，处理时间5min，得到含氧HfSe2-xOx阻变层。
(4)再次匀胶并利用紫外光刻进行套刻处理，使得顶电极图案与带有二维HfSe2-xOx薄层的底电极呈交叉结构，显影得到顶电极图案；随后利用电子束蒸发依次生长Ti/Ag/Au金属叠层结构，厚度分别为3/50/10nm，在丙酮中浸泡后清洗吹干得到图案化顶电极叠层。
为了进一步验证本发明所提出方法的可靠性，将采用本发明所提供的的方法制备优化选择器的实施例1与不采用本方法的对比例1进行实验对比。
对比例1：
本对比例中，除了无中间电极层外，其余结构与选用材料与实施例1保持一致；除电子束蒸发多层结构顶电极时仅生长50/10nm的Ag/Au外，选择器的其余制备方法与实施例1保持一致。
利用半导体分析测试仪分别对实施例1和对比例1所对应的选择器进行电学性能测试，具体步骤如下：
在实施例1和对比例1的顶电极上施加偏压，底电极接地，分别进行直流I-V特性扫描。
在实施例1中，设置电压扫描范围为0-0.65V，限制电流为10ua，连续进行100次循环直流I-V特性扫描，得到I-V特性曲线如图3中的(a)图所示；在对比例1中，设置电压扫描范围为0-1.2V，限制电流为10ua，同样进行100次循环直流I-V特性扫描，得到I-V特性曲线如图3中的(b)图所示。值得注意的是，对于实施例1和对比例1来说，第一次I-V扫描和后续99次扫描曲线相差不大，即均具有forming-free特性。
具体地，由图3中的(a)图可知，实施例1中，在电压由0-0.65V的升高过程中，优化选择器在0.4-0.65V范围内电流急剧升高，发生高阻态向低阻态的突变，称为SET过程；在电压从0.65-0V逐渐撤去的过程中，在0.05-0V范围内电流急剧下降，选择器由低阻态又自发回到初始的高阻态，称为RESET过程。由图3中的(b)图可知，对比例1中，选择器在0.5-1.0V的范围内发生SET过程，在0.25-0V过程中发生RESET过程。根据对比图3中的(a)图和图3中的(b)图可以看出，相比于对比例1来说，实施例1的100次循环直流I-V曲线结果表明，实施例1具有更大的开关比，从对比例1的103优化成为接近106；实施例1的SET电压范围明显降低，可在阵列的选通过程中降低能耗；实施例1的SET和RESET电压分布更加集中，表面实施例1具有更好的循环间稳定性；实施例1的高阻态更加稳定，不会随着电压升高而出现逐渐升高现象，可有效降低误操作概率。即实施例1中选择器的各项关键性能参数得到优化。
进一步地，对实施例1进行不同限制电流下的直流I-V特性扫描，结果如图4所示。从图4可以看出，在100ua限流的高ON态电流下，实施例1仍能保持优异的阈值转变特性，开关比接近107。
实施例2、
本实施例中，底电极选用铬和金构成的双层结构，铬为10nm，金为30nm，金生长在铬上面；阻变层选用薄层二维材料GaSe2，通过氧等离子体处理使其成为含氧薄层，设置流量为50sccm，功率80w，处理时间2min。本实施例中的选择器的其余结构与制备方法与实施例1相同。
为了进一步验证本发明所提出方法的可靠性，将采用本发明所提供的的方法制备优化选择器的实施例2与不采用本方法的对比例2进行实验对比。
对比例2：
本对比例中，除了无中间电极层外，其余结构与选用材料与实施例2保持一致；除电子束蒸发多层结构顶电极时仅生长50/10nm的Ag/Au外，选择器的其余制备方法与实施例2保持一致。
分别对实施例2和对比例2所对应的选择器进行直流循环I-V扫描，得到实施例2的直流循环I-V曲线如图5中的(a)图所示，对比例2的直流循环I-V曲线如图5中的(b)图所示。
根据对比图5中的(a)图和图5中的(b)图可知，相比于对比例2来说，实施例2具有更大的开关比，高阻态更加稳定，且跳变斜率明显增大，可有效降低忆阻器阵列中选通过程的误操作，而对比例2另外还存在器件间稳定性和循环间稳定性差的缺点，显然是不适宜用作选择器的。
基于上述实施例所获得的明显的性能优化，验证了本发明中通过引入超薄中间电极层来调控Ag丝通断，进而优化选择器性能的方法的可行性。
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 (8)

1.一种基于调控导电丝生长的选择器性能优化方法，其特征在于，包括：
在选择器的阻变层和顶电极之间引入中间电极层；其中，所述顶电极中的活性电极材料为Ag或Cu；所述阻变层为含氧阻变层，其材料为经过氧处理的薄层二维材料；所述中间电极层的材料为活性电极材料，包括钛、钽或铝；
所述中间电极层与所述阻变层接触时，所述中间电极层中的活性电极材料与所述阻变层中的氧发生氧化作用，使得所述中间电极层转变为非晶氧化层，以限制来源于所述顶电极的活性阳离子的迁移，从而限制导电丝的生长；且此时所述中间电极层为厚度不均的薄膜，与所述顶电极的接触面不平整，使得所述顶电极与所述阻变层之间形成点接触，从而进一步限制导电丝生长的随机性。
2.根据权利要求1所述的选择器性能优化方法，其特征在于，所述中间电极层的最大厚度不超过10 nm。
3.根据权利要求1或2所述的选择器性能优化方法，其特征在于，所述中间电极层通过电子束蒸发生长而成。
4.一种基于导电丝生长的选择器，其特征在于，包括自下而上的设置的衬底、底电极、阻变层、中间电极层及顶电极；所述顶电极包括自下而上设置的活性电极层和惰性保护电极；其中，所述顶电极中的活性电极材料为Ag或Cu；所述阻变层为含氧阻变层，其材料为经过氧处理的薄层二维材料；所述中间电极层的材料为活性电极材料，包括钛、钽或铝；
所述中间电极层与所述阻变层接触时，所述中间电极层中的活性电极材料与所述阻变层中的氧发生氧化作用，使得所述中间电极层转变为非晶氧化层，以限制来源于所述顶电极的活性阳离子的迁移，从而限制导电丝的生长；且此时所述中间电极层为厚度不均的薄膜，与所述顶电极的接触面不平整，使得所述顶电极与所述阻变层之间形成点接触，从而进一步限制导电丝生长的随机性。
5.根据权利要求4所述的选择器，其特征在于，所述中间电极层的最大厚度不超过10nm。
6.根据权利要求4或5所述的选择器，其特征在于，所述阻变层的厚度为3~15 nm。
7.根据权利要求4或5所述的选择器，其特征在于，所述底电极为金、钛、铂、铬其中一种金属或两种金属叠加而成的多层电极。
8.权利要求4-7任意一项所述选择器的制备方法，其特征在于，包括：
S1、在衬底上进行金属薄膜沉积得到底电极；
S2、在所述底电极上制备得到阻变层；所述阻变层为含氧阻变层，其材料为经过氧处理的薄层二维材料；
S3、在所述阻变层上沉积活性电极；所述阻变层上沉积的活性电极包括钛、钽或铝；此时，所述阻变层上的活性电极与所述阻变层中的氧发生氧化作用转变为非晶氧化层，得到厚度不均的薄膜，即中间电极层；
S4、在所述中间电极层上依次沉积活性电极层和惰性保护电极，得到顶电极；其中，所述顶电极与所述中间电极层的接触面不平整；所述顶电极中活性电极层的材料为Ag或Cu。
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