一種用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，包括：選擇器件；對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵；以及對器件進(jìn)行電學(xué)操作，獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式。利用本發(fā)明，通過選取基于金屬導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變存儲器件，通過調(diào)整第一次電激勵過程中的限制電流的大小，從而實現(xiàn)后續(xù)不同的電阻轉(zhuǎn)變模式，這種方法簡單實用，并且可以在同一個器件中獲得轉(zhuǎn)變模式的改變，實現(xiàn)多轉(zhuǎn)變模式操作，可以獲得第一次電激勵過程中限制電流對導(dǎo)電細(xì)絲通道影響的間接證據(jù)，對于深入理解金屬細(xì)絲機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變存儲器的阻變機(jī)理具有深刻意義。
【專利說明】—種用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米電子器件及納米加工【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]為了適應(yīng)大數(shù)據(jù)的需要，近年來，對存儲器的存儲密度要求也越來越高，器件面積也越來越小。我們知道，目前市場上主流的非揮發(fā)性存儲器為閃存器件，由于器件尺寸的進(jìn)一步縮小已經(jīng)瀕臨閃存器件的物理極限，如果繼續(xù)縮小下去的話，器件的可靠性會受到極大的影響，也就是說基于目前閃存器件的器件結(jié)構(gòu)和工作原理，其存儲密度已經(jīng)很難再有大幅度的提升，這使得高密度存儲器件的獲得步入困境。
[0003]正是由于閃存器件的發(fā)展遇到瓶頸，從而使得研發(fā)下一代新型存儲器件成為熱點。在諸多新型器件中，電阻轉(zhuǎn)變存儲器被認(rèn)為是最具競爭優(yōu)勢的下一代存儲器件之一。這是由于其器件的結(jié)構(gòu)簡單，制備成本低，功耗小，更為重要的是這類器件具有相當(dāng)可觀的器件可微縮性能。大量實驗已經(jīng)證明，當(dāng)器件面積在幾個納米尺度的時候，仍能實現(xiàn)穩(wěn)定的器件功能。并且，電阻轉(zhuǎn)變器件既可以實現(xiàn)非揮發(fā)性轉(zhuǎn)變，也可以實現(xiàn)揮發(fā)性轉(zhuǎn)變。這兩種轉(zhuǎn)變模式都可以在存儲陣列中得到應(yīng)用。揮發(fā)性轉(zhuǎn)變特性可以用做選通器件或者揮發(fā)性存儲單元而非揮發(fā)性轉(zhuǎn)變可以用做數(shù)據(jù)的存儲單元。
[0004]根據(jù)相關(guān)報道，可以通過改變器件結(jié)構(gòu)、電極或者介質(zhì)層材料，或者環(huán)境溫度等來實現(xiàn)器件不同的轉(zhuǎn)變模式，然而這些方法過于復(fù)雜并且不具備太多的實用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的提供一種用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，以豐富目前電阻轉(zhuǎn)變存儲器在電路中的應(yīng)用。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，該方法包括:選擇器件；對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵；以及對器件進(jìn)行電學(xué)操作，獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式。
[0009]上述方案中，所述選擇器件的步驟，是選擇基于金屬細(xì)絲導(dǎo)電橋機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變器件。在所述基于金屬細(xì)絲導(dǎo)電橋機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變器件中，介質(zhì)層是普通氧化物氧化硅、氧化鉿、氧化鋁或氧化鋯，生長方式為高溫?zé)嵫趸⒃訉映练e或直接濺射或反應(yīng)濺射，一個電極為活性金屬，一個電極為惰性金屬。
[0010]上述方案中，所述活性金屬為銀或者銅，所述惰性金屬為鉬或者鎢。所述對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵的步驟中，電壓是加在活性金屬上，惰性金屬電極接地。
[0011]上述方案中，所述選擇器件的步驟，是選擇一端是活性電極，一端是惰性電極的電阻轉(zhuǎn)變器件，并且中間氧化物介質(zhì)層的厚度應(yīng)該在幾十個納米。所述對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵的步驟中，是在活性金屬電極上加正電壓，惰性金屬電極接地，并且整個電激勵的過程中需要限流保護(hù)。所述限流保護(hù)采用的限制電流的大小在小于I毫安的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)限制電流小于50納安時，器件兩端的低電阻狀態(tài)在撤掉電壓后無法保持，當(dāng)限制電流大于50納安小于I毫安時，器件兩端的低電阻狀態(tài)在撤去電壓后能夠保持。
[0012]上述方案中，所述對器件進(jìn)行電學(xué)操作的步驟，當(dāng)?shù)谝淮坞娂畈捎玫氖切∮?0納安的限制電流時，對器件進(jìn)行電學(xué)操作是在電極兩端上加正向或負(fù)向電壓，在電壓掃描的過程中加上與第一次電激勵過程相同的限制電流，器件表現(xiàn)出揮發(fā)性轉(zhuǎn)變；當(dāng)?shù)谝淮坞娂畈捎玫氖谴笥?0納安小于I毫安的限制電流時，對器件進(jìn)行電學(xué)操作是在惰性電極上加正電壓，活性電極接地，在電壓掃描的過程中電流限制大小為0.1安，使器件電阻重回到高阻態(tài)，然后再在活性電極上加正電壓掃描，惰性電極接地，限制電流與之前第一次電激勵過程相同，器件表現(xiàn)出非揮發(fā)性轉(zhuǎn)變。
[0013](三)有益效果
[0014]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明有以下有益效果:
[0015]1、利用本發(fā)明，通過選取基于金屬導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變存儲器件，通過調(diào)整第一次電激勵過程中的限制電流的大小，從而實現(xiàn)后續(xù)不同的電阻轉(zhuǎn)變模式，這種方法簡單實用，并且可以在同一個器件中獲得轉(zhuǎn)變模式的改變，實現(xiàn)多轉(zhuǎn)變模式操作。
[0016]2、利用本發(fā)明，可以獲得第一次電激勵過程中限制電流對導(dǎo)電細(xì)絲通道影響的間接證據(jù)，對于深入理解金屬細(xì)絲機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變存儲器的阻變機(jī)理具有深刻意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為依照本發(fā)明實施例的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法的流程圖。
[0018]圖2為依照本發(fā)明實施例的小限制電流下的電激勵過程。
[0019]圖3為依照本發(fā)明實施例的大限制電流下的電激勵過程。

【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]如圖1所示，圖1為依照本發(fā)明實施例的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法的流程圖，具體包括以下步驟:
[0022]步驟1:選擇器件；
[0023]選擇基于金屬細(xì)絲導(dǎo)電橋機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變器件，在基于金屬細(xì)絲導(dǎo)電橋機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變器件中，介質(zhì)層是普通氧化物氧化硅、氧化鉿、氧化鋁或氧化鋯，生長方式為高溫?zé)嵫趸⒃訉映练e或直接濺射或反應(yīng)濺射，一個電極為活性金屬，例如銀或者銅，一個電極為惰性金屬，例如鉬或者鎢；在后續(xù)對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵時，電壓是加在活性金屬上，惰性金屬電極接地。
[0024]或者，選擇一端是活性電極，一端是惰性電極的電阻轉(zhuǎn)變器件，并且中間氧化物介質(zhì)層的厚度應(yīng)該在幾十個納米。對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵時，是在活性金屬電極上加正電壓，惰性金屬電極接地，并且整個電激勵的過程中需要限流保護(hù)。所述限流保護(hù)采用的限制電流的大小在小于I毫安的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)限制電流小于50納安時，器件兩端的低電阻狀態(tài)在撤掉電壓后無法保持，當(dāng)限制電流大于50納安小于I毫安時，器件兩端的低電阻狀態(tài)在撤去電壓后能夠保持。
[0025]具體而言，本步驟首先是襯底準(zhǔn)備，本實施例所用的襯底為已經(jīng)形成氧化硅絕緣層的2英寸硅片，在淀積器件材料之前，硅片是要進(jìn)行嚴(yán)格的清洗過程，具體為:2英寸硅片在硫酸(H2SO4)和雙氧水(H2O2)的溶液中(兩者比例為7: 3)煮30分鐘，溫度為400攝氏度,去除有機(jī)物和金屬雜質(zhì),然后放入氫氟酸(HF)和去離子水(DIW)中漂洗,最后用去離子水(DIff)沖洗。
[0026]電子束蒸發(fā)惰性金屬作為下電極，金屬材料可選取鉬或者鎢，蒸發(fā)厚度為80納米；光刻形成器件圖形；在準(zhǔn)備好的惰性電極表面旋涂光刻膠，光刻膠采用9920，旋涂厚度為1.2 μ m，然后在85°C熱板烘烤4.5分鐘，采用掩膜曝光，曝光時間3.5秒，然后在顯影溶液里浸泡40秒，形成器件圖形；離子束濺射生長介質(zhì)層，介質(zhì)層材料可以是一般氧化物，厚度在幾十個納米；電子束蒸發(fā)活性金屬材料形成上電極，活性金屬材料可選取銀，銅等，沉積厚度約80納米；剝離形成器件:采用丙酮+乙醇作為剝離試劑，先在丙酮中浸泡5分鐘，然后分別用乙醇和去離子水浸洗，形成器件。
[0027]步驟2:對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵；
[0028]將正電壓加在上電極(活性電極)上，將下電極(惰性電極)接地處理；設(shè)置掃描電壓的范圍(視介質(zhì)層材料和厚度而定，一般為O到15伏)并在掃描的過程中確保限制電流(小于I毫安)的存在；調(diào)節(jié)限制電流的大小，以激發(fā)不同的轉(zhuǎn)變模式。
[0029]步驟3:對器件進(jìn)行電學(xué)操作，獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式；
[0030]當(dāng)?shù)谝淮坞娂畈捎玫氖切∮?0納安的限制電流時，對器件進(jìn)行電學(xué)操作是在電極兩端上加正向或負(fù)向電壓，在電壓掃描的過程中加上與第一次電激勵過程相同的限制電流，器件表現(xiàn)出揮發(fā)性轉(zhuǎn)變；
[0031]當(dāng)?shù)谝淮坞娂畈捎玫氖谴笥?0納安小于I毫安的限制電流時，對器件進(jìn)行電學(xué)操作是在惰性電極上加正電壓，活性電極接地，在電壓掃描的過程中電流限制大小為0.1安，使器件電阻重回到高阻態(tài)，然后再在活性電極上加正電壓掃描，惰性電極接地，限制電流與之前第一次電激勵過程相同，器件表現(xiàn)出非揮發(fā)性轉(zhuǎn)變。
[0032]實施例
[0033]本實施例選用已氧化處理的2英寸硅片，活性電極采用銀(Ag)，惰性電極采用鉬金(Pt)，介質(zhì)層采用離子束濺射的氧化硅。
[0034]對2英寸的硅片進(jìn)行如上述的標(biāo)準(zhǔn)清洗過程，去除表面油污及金屬污染。
[0035]清洗后的硅片在高溫氧化爐中氧化處理，表面形成絕緣氧化硅，作為襯底介質(zhì)層，厚度為100納米左右。
[0036]首先在襯底上電子束蒸發(fā)厚度為80納米的金屬鉬，在長好鉬金的襯底上旋涂9920光刻膠，轉(zhuǎn)速7000轉(zhuǎn)每分鐘，旋涂一分鐘，厚度大約1.2微米，85°C熱板烘烤4.5分鐘曝光選用真空曝光模式，曝光時間3.5秒。然后在9920對應(yīng)的顯影液中顯影40秒，形成圖形后在去離子水中清洗，待水分蒸發(fā)后離子束濺射氧化硅，厚度為50納米，然后電子束蒸發(fā)活性金屬銀，厚度為80納米；取出后在丙酮中浸泡5分鐘，待金屬剝離干凈后再用乙醇浸洗，最后用去離子水沖洗，形成器件，如果剝離不太干凈，可用吸管吹洗或者超聲清洗。
[0037]將制得的器件在半導(dǎo)體測試儀中加電場，活性電極Ag —端加正向掃描電壓，惰性電極Pt接地，在電壓掃描的過程中加一個限制電流大小為10納安，當(dāng)電極之間電流突然增加至限制電流時，意味著器件被編程到低電阻狀態(tài)，當(dāng)電流回掃至一個小電壓的時候(IV)，電流又突然減小，意味著器件又重新回到高電阻狀態(tài)，如圖2所示。
[0038]之后，不論在正向電壓還是負(fù)向電壓的激勵下，當(dāng)限制電流維持在與第一次電激勵過程相同時，器件都表現(xiàn)出揮發(fā)性轉(zhuǎn)變特性。對于另外一個器件也進(jìn)行第一次電激勵過程，調(diào)整限制電流至150微安，器件被編程至低電阻狀態(tài)后一直能夠保持，如圖3所示。
[0039]接下來在器件兩端加一個與第一次電激勵過程相反的電壓，將限制電流設(shè)置為
0.1安，器件可以被編程回到高電阻狀態(tài)，正向電壓掃描下，將限制電流設(shè)置的與第一次電激勵過程相同，器件會被編程至低電阻狀態(tài)，并保持，器件表現(xiàn)出典型的非揮發(fā)性轉(zhuǎn)變特性。
[0040]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，其特征在于，該方法包括: 選擇器件； 對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵；以及 對器件進(jìn)行電學(xué)操作，獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，其特征在于，所述選擇器件的步驟，是選擇基于金屬細(xì)絲導(dǎo)電橋機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，其特征在于，在所述基于金屬細(xì)絲導(dǎo)電橋機(jī)制的電阻轉(zhuǎn)變器件中，介質(zhì)層是普通氧化物氧化硅、氧化鉿、氧化鋁或氧化鋯，生長方式為高溫?zé)嵫趸⒃訉映练e或直接濺射或反應(yīng)濺射，一個電極為活性金屬，一個電極為惰性金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，其特征在于，所述活性金屬為銀或者銅，所述惰性金屬為鉬或者鎢。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，其特征在于，所述對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵的步驟中，電壓是加在活性金屬上，惰性金屬電極接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，其特征在于，所述選擇器件的步驟，是選擇一端是活性電極，一端是惰性電極的電阻轉(zhuǎn)變器件，并且中間氧化物介質(zhì)層的厚度應(yīng)該在幾十個納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，其特征在于，所述對選擇的器件進(jìn)行第一次電激勵的步驟中，是在活性金屬電極上加正電壓，惰性金屬電極接地，并且整個電激勵的過程中需要限流保護(hù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，其特征在于，所述限流保護(hù)采用的限制電流的大小在小于I毫安的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)限制電流小于50納安時，器件兩端的低電阻狀態(tài)在撤掉電壓后無法保持，當(dāng)限制電流大于50納安小于I毫安時，器件兩端的低電阻狀態(tài)在撤去電壓后能夠保持。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用以獲得電阻轉(zhuǎn)變存儲器多轉(zhuǎn)變模式的操作方法，其特征在于，所述對器件進(jìn)行電學(xué)操作的步驟，當(dāng)?shù)谝淮坞娂畈捎玫氖切∮?0納安的限制電流時，對器件進(jìn)行電學(xué)操作是在電極兩端上加正向或負(fù)向電壓，在電壓掃描的過程中加上與第一次電激勵過程相同的限制電流，器件表現(xiàn)出揮發(fā)性轉(zhuǎn)變； 當(dāng)?shù)谝淮坞娂畈捎玫氖谴笥?0納安小于I毫安的限制電流時，對器件進(jìn)行電學(xué)操作是在惰性電極上加正電壓，活性電極接地，在電壓掃描的過程中電流限制大小為0.1安，使器件電阻重回到高阻態(tài)，然后再在活性電極上加正電壓掃描，惰性電極接地，限制電流與之前第一次電激勵過程相同，器件表現(xiàn)出非揮發(fā)性轉(zhuǎn)變。
【文檔編號】G11C13/00GK104392746SQ201410557784
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】孫海濤, 劉琦, 呂杭炳, 龍世兵, 劉明 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所