[发明专利]一种具有透明上电极的阻变单元及其导电细丝定位方法

说明书

本发明提出一种具有透明上电极的阻变单元及其导电细丝定位方法，属于阻变存储器领域。所述阻变单元，从下到上依次由下电极，绝缘介质层和上电极三部分构成；其中，上电极的材料为透明氧化铟锡。导电细丝定位方法为：对具有透明上电极的阻变单元绝缘介质层所采用的材料进行光谱测试分析，获得该材料氧空位发光强度峰值所对应的发光波长；采用紫外激光作为激发源，利用显微物镜对紫外激光进行聚焦，通过聚焦后的紫外激光对透明上电极进行光致发光扫描，获得上电极对应氧空位发光强度的二维图像；读取上电极内每一点的光谱，发光最强位置即为导电细丝连接上电极一端所在的位置。本发明无需剥离电极，利用光学手段对导电细丝进行定位扫描，成本低。

技术领域

本发明属于阻变存储器领域，具体提出一种具有透明上电极的阻变单元及其导电细丝定位方法。

背景技术

半导体存储器作为21世纪互联网科技发展的重要载体和媒介，在各个领域里发挥着越来越大的作用。作为半导体存储器的代表，随机存储器(RAM)因其可以用相同的速度随意存取任何一个存储单元，在数据存储中已经逐渐代替与之相对的传统机械硬盘和光盘，成为主流的存储载体。随机存储器可以按存储数据保持的时间长短分为两大类别，即易失性和非易失性存储器。非易失性存储器(NVM)因其良好的数据保持特性(不需要持续供电)大量用于各类电子产品的数据存储。随着移动、可穿戴设备的发展，以及大数据、信息总量的不断膨胀和增长，存储器的非易失性变得更加重要。阻变存储器(RRAM)以其高密度、低功耗、低成本和高尺寸缩小等特点在非易失性存储器中有着广泛的应用前景。一个RRAM中包含由成千上万个相同的阻变单元所组成的阵列；每个阻变单元包括:上电极—绝缘介质层(阻变层)—下电极(MIM)；其中,绝缘介质层的材料为金属氧化物，通过对上下电极施加电场，使得绝缘介质层发生软击穿，在原本绝缘的介质层中产生一条由氧空位构成的导电通道，此导电通道称为导电细丝。阻变单元的阻变机理为绝缘介质层中导电细丝的通断：导电细丝的联通代表着阻变单元在低电阻状态，而外加电场的作用下导电细丝的断开代表着阻变单元的高电阻状态，高低电阻状态分别对应着二进制中的“0”态和“1”态。

导电细丝的位置对阻变单元的寿命有着重要意义。如果导电细丝太靠近阻变单元的边缘，则外界的氧原子容易扩散到导电细丝中，对阻变单元的数据保持特性和耐久性有着重要影响。因此，通过测定阻变单元导电细丝的位置，优化制备工艺中导电细丝的生成参数，使得导电细丝的位置居于单元中间，对RRAM的品控寿命都有着重要意义。

虽然RRAM中的导电细丝与导电桥存储器(conductive-bridge RAM，CBRAM)中的导电细丝相类似，但构成导电细丝的成分并不相同。基于金属氧化物材料RRAM内的导电细丝普遍认为是由氧空位构成而非CBRAM中的金属离子。因此，在CBRAM中发展成熟的直接观测导电细丝的技术手段，如原位，非原位的透射电镜，扫描电镜等方法并不适用于RRAM。虽然有成功地应用红外成像来定位RRAM中导电细丝位置的报导，但由于红外线的波长较长，受制于衍射极限，所以无法给出清晰的几何形貌。

传统的RRAM阻变单元从下到上依次由下电极，绝缘介质层和上电极三部分构成，其中，绝缘介质层采用金属氧化物，下电极多为氮化钛，氮化钽等材料。贵金属如金，铂，铱常用来作为上电极材料。研究导电细丝的最大困难在于导电细丝是由诸多氧空位连接起来的导电通道，跟晶格中其他氧原子难以区分。近年来所发展的导电细丝测试手段，首先要完成器件的电学操作，然后剥离电极，对阻变层进行研究。这样的问题是破坏了阻变器件，无法进行后续的实验测试，只能观测某一特定状态下的导电细丝。同时剥离电极和后续的测试手段都需要在高真空环境中进行，使得成本大大提高。另外,传统的方法操作复杂同时周期较长，且只能证明当前样品中导电细丝的位置和工作状态，当发现导电细丝位置不理想的时候，很难及时地对其他批次生产的阻变单元进行调整和参数优化，只适合进行理论研究，很难推广到实际生产中，而且无法了解导电细丝位置与阻变单元寿命的联系。因此，发明一种有效、便捷、低成本的导电细丝定位方法和与测试相配套的阻变单元显得尤为重要。