[發明專利]一種具有透明上電極的阻變單元及其導電細絲定位方法

有效

• 申請號: 201710274073.3
• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN107195777B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 王小虎;吳華強;高濱;李辛毅;錢鶴
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L21/68
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明提出一種具有透明上電極的阻變單元及其導電細絲定位方法，屬于阻變存儲器領域。所述阻變單元，從下到上依次由下電極，絕緣介質層和上電極三部分構成；其中，上電極的材料為透明氧化銦錫。導電細絲定位方法為：對具有透明上電極的阻變單元絕緣介質層所采用的材料進行光譜測試分析，獲得該材料氧空位發光強度峰值所對應的發光波長；采用紫外激光作為激發源，利用顯微物鏡對紫外激光進行聚焦，通過聚焦后的紫外激光對透明上電極進行光致發光掃描，獲得上電極對應氧空位發光強度的二維圖像；讀取上電極內每一點的光譜，發光最強位置即為導電細絲連接上電極一端所在的位置。本發明無需剝離電極，利用光學手段對導電細絲進行定位掃描，成本低。

技術領域

本發明屬于阻變存儲器領域，具體提出一種具有透明上電極的阻變單元及其導電細絲定位方法。

背景技術

半導體存儲器作為21世紀互聯網科技發展的重要載體和媒介，在各個領域里發揮著越來越大的作用。作為半導體存儲器的代表，隨機存儲器(RAM)因其可以用相同的速度隨意存取任何一個存儲單元，在數據存儲中已經逐漸代替與之相對的傳統機械硬盤和光盤，成為主流的存儲載體。隨機存儲器可以按存儲數據保持的時間長短分為兩大類別，即易失性和非易失性存儲器。非易失性存儲器(NVM)因其良好的數據保持特性(不需要持續供電)大量用于各類電子產品的數據存儲。隨著移動、可穿戴設備的發展，以及大數據、信息總量的不斷膨脹和增長，存儲器的非易失性變得更加重要。阻變存儲器(RRAM)以其高密度、低功耗、低成本和高尺寸縮小等特點在非易失性存儲器中有著廣泛的應用前景。一個RRAM中包含由成千上萬個相同的阻變單元所組成的陣列；每個阻變單元包括:上電極—絕緣介質層(阻變層)—下電極(MIM)；其中,絕緣介質層的材料為金屬氧化物，通過對上下電極施加電場，使得絕緣介質層發生軟擊穿，在原本絕緣的介質層中產生一條由氧空位構成的導電通道，此導電通道稱為導電細絲。阻變單元的阻變機理為絕緣介質層中導電細絲的通斷：導電細絲的聯通代表著阻變單元在低電阻狀態，而外加電場的作用下導電細絲的斷開代表著阻變單元的高電阻狀態，高低電阻狀態分別對應著二進制中的“0”態和“1”態。

導電細絲的位置對阻變單元的壽命有著重要意義。如果導電細絲太靠近阻變單元的邊緣，則外界的氧原子容易擴散到導電細絲中，對阻變單元的數據保持特性和耐久性有著重要影響。因此，通過測定阻變單元導電細絲的位置，優化制備工藝中導電細絲的生成參數，使得導電細絲的位置居于單元中間，對RRAM的品控壽命都有著重要意義。

雖然RRAM中的導電細絲與導電橋存儲器(conductive-bridge RAM，CBRAM)中的導電細絲相類似，但構成導電細絲的成分并不相同。基于金屬氧化物材料RRAM內的導電細絲普遍認為是由氧空位構成而非CBRAM中的金屬離子。因此，在CBRAM中發展成熟的直接觀測導電細絲的技術手段，如原位，非原位的透射電鏡，掃描電鏡等方法并不適用于RRAM。雖然有成功地應用紅外成像來定位RRAM中導電細絲位置的報導，但由于紅外線的波長較長，受制于衍射極限，所以無法給出清晰的幾何形貌。

傳統的RRAM阻變單元從下到上依次由下電極，絕緣介質層和上電極三部分構成，其中，絕緣介質層采用金屬氧化物，下電極多為氮化鈦，氮化鉭等材料。貴金屬如金，鉑，銥常用來作為上電極材料。研究導電細絲的最大困難在于導電細絲是由諸多氧空位連接起來的導電通道，跟晶格中其他氧原子難以區分。近年來所發展的導電細絲測試手段，首先要完成器件的電學操作，然后剝離電極，對阻變層進行研究。這樣的問題是破壞了阻變器件，無法進行后續的實驗測試，只能觀測某一特定狀態下的導電細絲。同時剝離電極和后續的測試手段都需要在高真空環境中進行，使得成本大大提高。另外,傳統的方法操作復雜同時周期較長，且只能證明當前樣品中導電細絲的位置和工作狀態，當發現導電細絲位置不理想的時候，很難及時地對其他批次生產的阻變單元進行調整和參數優化，只適合進行理論研究，很難推廣到實際生產中，而且無法了解導電細絲位置與阻變單元壽命的聯系。因此，發明一種有效、便捷、低成本的導電細絲定位方法和與測試相配套的阻變單元顯得尤為重要。