提升阻变存储器稳定性的方法及其应用与流程

本发明涉及一种阻变存储器，具体涉及一种提升阻变存储器稳定性的方法及其应用，属于存储器技术领域。

背景技术：

非易失存储技术是目前信息存储技术领域中的研究热点，随着科技的不断发展，硅基半导体器件特征尺寸的进一步缩小，常规的存储器所存储的电荷数量降低，写入电压很难进一步降低，稳定性也在变差，因此设计开发新型非易失存储器尤为重要。

近年来，一种基于材料电阻变化的电阻随机存储器(RRAM)技术的探索成为研究的焦点。阻变存储器(RRAM)是利用材料的改性而使存储器具有不同电阻态，从而存储数据。

RRAM的基本存储单元包括一个金属—绝缘体—金属(MIM)结构电阻器。通常的阻变材料具有高阻和低阻两种状态。请参阅图1所示是一个典型的阻变存储器单元，阻变存储器的的下电极103和上电极101通常使用铂、金、钌等化学性质较稳定的惰性金属材料，置于底部电极103和顶部电极101之间的阻变材料102通常为NiO、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、ZnO等薄膜材料。

与目前许多半导体存储器的存储机理相同，阻变存储器并不是通过电容式结构中所存储的电荷量来存储信息，而是通过改变材料本身的电阻率来存储信息。由于材料本身的电阻率与材料的尺度无关，因此理论上阻变存储器的存储性能并不会随着器件尺寸的缩小而退化。这一优点就决定了阻变存储器潜在的集成能力远远高于当前主流的Flash浮栅存储器。另一方面，阻变存储器的器件结构简单，可以非常容易地实现与现有的CMOS生产工艺的集成。

在许多具有阻变特性的材料中，金属氧化物材料的RRAM器件因其具有组分简单等优点，成为众多材料中的研究热点。但在实际应用中，工业领域对金属氧化物材料的电阻随机存储器的阻值转变稳定性和持久特性等性能提出更高的要求，如何提高金属氧化物材料电阻随机存储器的稳定性引起了学术界和工业界的兴趣。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种能有效改善阻变存储器，特别是金属氧化物材料电阻随机存储器的稳定性的方法。

本发明的另一目的在于提供所述提升阻变存储器稳定性的方法的用途，例如在制备阻变存储器中的用途。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种提升阻变存储器稳定性的方法，其包括：

提供在阻变存储器用作阻变材料的金属氧化物薄膜，

将一个以上导电AFM悬臂与所述金属氧化薄膜接触，

在该一个以上导电AFM悬臂与金属氧化物薄膜之间施加设定电压，从而在该一个以上导电AFM悬臂与金属氧化物薄膜之间形成能够作为局域导电通道的一条以上导电细丝，

至少通过调整所述导电细丝的数量而调控所述阻变存储器的高阻态与低阻态之间的转变。

作为较佳实施方案之一，所述方法还包括：将两个以上导电AFM悬臂与所述金属氧化薄膜接触，并在两个以上导电AFM悬臂与金属氧化物薄膜之间施加设定电压，从而在该两个以上导电AFM悬臂与金属氧化物薄膜之间形成两条以上导电细丝，其中任意两条导电细丝彼此无接触。

尤为优选的，所述导电细丝的直径为2～10nm，并且相邻导电细丝之间的距离为1～3μm，如此可避免邻近导电细丝之间的相互作用。

进一步的，所述方法还包括：通过调整所述导电细丝的数量来调控所述阻变存储器的开启电压。

进一步的，所述阻变存储器的开启电压随所述导电细丝数量的增加而提高。

作为较佳实施方案之一，所述方法还包括：施加于所述导电AFM悬臂与金属氧化物薄膜之间的设定电压为10～30V，通过所述导电细丝的电流大小为5～20μA，从而调控所述阻变存储器的高阻态与低阻态之间的转变。

较为优选的，所述导电AFM悬臂采用直径为150～250nm的金刚石覆盖的AFM悬臂，以较好的防止探针的损坏。

又及，所述导电AFM悬臂也可以其它合适的导电微针状物体替代。

较为优选的，所述金属氧化物薄膜的材质包括：NiO、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂或ZnO； 但不限于此。

一种阻变存储器的制备方法，其包括：

提供主要由底电极、形成于底电极上的金属氧化物薄膜、形成于金属氧化物薄膜上的阻变层组成的器件结构；

在所述阻变层上加工形成设定图案结构，并使所述金属氧化物薄膜的选定区域自所述图案结构中露出；

采用前述的任一种提升阻变存储器稳定性的方法调控阻变存储器的开启电压；

以及，在所述金属氧化物薄膜的选定区域上形成顶电极，并去除所述阻变层。

进一步的，所述底电极或顶电极的材质为惰性金属材料，所述惰性金属材料包括：铂、金或钌；但不限于此。

在本发明中，前述金属氧化物薄膜可采用原子层沉积法或物理气相沉积法等方式形成。

前述顶、底电极可采用习见的金属沉积工艺，例如，蒸镀、溅射、物理或化学气相沉积、电镀等方式而形成。

与现有技术相比，本发明的优点包括：仅需通过采用导电AFM悬臂接触金属氧化物表面，然后通过施加电压形成若干个导电细丝，并通过调控导电细丝的数量，即可提升开启电压的稳定性，进而提升整个阻变器件的稳定性，操作简单，成本低廉，可控性高，尤其适合应用于金属氧化物阻变存储器。

附图说明

图1为现有的单一阻变材料层的阻变存储器单元的剖面结构示意图，其中：103为下电极，102为金属氧化物层，101为上电极；

图2a为本发明一典型实施例中对一种调控阻变存储器中导电细丝的工作状态示意图；

图2b为本发明一典型实施例中对一种阻变存储器的测试状态示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种方便易行、可控性高的调控阻变存储器性能的方法，其主要是通过利用导电AFM悬臂或其它具有类似形态的导电物体在金属氧化薄膜上产生局域的导电细丝通道，然后改变导电细丝的数量及分布情况来调控阻变存储器中的高阻态与低阻态的转变，提高器件开启电压的稳定性，从而提高器件的稳定性。

在本发明的一实施方案指正，其中涉及的阻变存储器采用金属/绝缘体/金属(MIM)结构，其中采用金属薄膜作为上、下电极(亦可称为顶、底电极)，绝缘体采用金属氧化物薄膜。

进一步的，该阻变存储器的上、下电极优选自铂、金、钌等惰性金属材料。

该阻变存储器中的金属氧化物优选自NiO、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、ZnO等薄膜材料。

优选的，防止探针的损坏，采用直径为150～250nm的金刚石覆盖的钨探针。

优选的，本发明施加的电压范围为10～20V，通过导电细丝的限制电流为6～12μA，从而调控器件的高阻态与低阻态之间的转变。

优选的，在本发明的一实施方案之中，首先在基底上沉积制备金属氧化物薄膜，再利用导电AFM的悬臂接触金属氧化物薄膜表面，然后通过施加电压形成若干个导电细丝，为了避免邻近导电细丝之间的相互作用，导电细丝大小保持在2～10nm之间，导电细丝之间的距离为1～3μm。由于导电细丝之间的距离较大，每一个导电细丝都可以看作一个局域导电通道。局域导电细丝能够对器件的开关特性产生影响，细丝数目的增加导致开启电压的增加，而对关断电压不产生影响。

进一步的，可通过调控所述导电细丝的数量来调控所述存储器的高阻态与低阻态之间的转变。

下面结合附图与一典型实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

1)利用直流反应溅射方法在基底上沉积一层20～100nm厚的NiO薄膜；

2)利用涡轮泵保持真空压强为1×10^-6Torr；

3)沉积过程中，基底温度和工作压强分别保持在300～500℃和1～10mTorr；

4)利用电子束光刻技术制备若干个30×30μm²的图形；

5)然后把AFM悬臂放置于自图形中裸露的金属氧化物薄膜表面，悬臂的半径为150～250nm，请参阅图2b所示；

6)将连接导电AFM探针的电压源电压范围设置为5～20V，限流设置为1～10μA，诱导电细丝，然后被覆上电极。在实验过程中，当电流通过在NiO薄膜上已经形成的导电细丝，通道的薄弱点将破裂并进入到已经形成的导电细丝，且这些点的位置和形貌受到导电细丝的约束。接下来，随着施加电压，由于导电细丝和击穿的薄弱部分的重新连接，阻态转变为低阻态。当NiO薄膜上形成一条导电细丝，破裂部分和导电通道出现在导电细丝的附近。相反的情况是，当形成八条导电细丝，它们随意出现在八条导电细丝的部分。当NiO薄膜上在没有使用导电AFM悬臂来形成导电细丝的时候，导电细丝的数目是随意形成的，因此它导致的开 启电压也具有较大的变化。而本发明发现在形成八条导电细丝的NiO薄膜上，由于低阻态是由导电细丝和许多破裂部分之间的连接所导致的，因此开启开关只有在恢复的导电细丝中形成。通过施加外电压来作用于AFM悬臂，从而使得导电细丝的实现，并通过控制导电细丝的数量来调控器件的开启电压，从而提高阻变存储器的稳定性；

7)在所述图形中沉积金属形成顶电极，再去除所述阻变层。

另外，本案发明人还发现，对于导电细丝型阻变存储器，设置(set)过程对应于导电细丝的形成，器件处于低阻态，而重置(reset)过程通常由于热效应使得细丝断裂，该断裂过程通常发生在导电细丝的最弱点处(未完全断裂)。在随后的set过程中，导电细丝优先在上次残余的细丝片段处形成，器件的稳定性显著提高。相反，对于没有预先诱导导电细丝的器件，在随后的电压扫描过程中，细丝随机的在阻变材料层中形成，并且细丝的数量也不可控，因而器件性能稳定性较差。此外，当诱导过多的导电细丝时，细丝的断裂与形成同样具有随机性增强。

上述实施例只是本发明的举例，仅为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。