一种阻变存储器的机理的研究方法

摘要

本发明公开了一种阻变存储器的机理的研究方法，包括：步骤A、提供阻变存储器中所用的活性层材料，将所述活性层材料在基底上制作成薄膜；步骤B、将AFM调至接触模式下，利用导电原子力探针对所述薄膜的表面进行载流子的注入，形成载流子注入区；步骤C、将AFM原位切换至表面电势测量模式，在保护气氛中对包含所述载流子注入区的区域进行连续的扫描，得到扫描区域的表面电势图，根据所述表面电势图评估载流子在所述活性层材料中的行为能力。本发明是基于原位进行载流子注入、连续扫描，进而评估载流子在活性材料中的注入、迁移和保留的能力，进而可以判断阻变行为是否是由活性层对电荷的俘获/释放所引起，检测结果准确可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及阻变存储器领域，尤其涉及一种阻变存储器的机理的研究方法。

背景技术

阻变存储器（resistive random access memory，RRAM）的存储机理是：中间的活性层在电激励下展现出两种稳定的电阻来存储信息，高电阻和低电阻状态分别对应计算机二进制运算中的“0”和“1”。RRAM结构简单，同时具有非易失性、可反复擦写、读写速度快等优点。

目前，关于阻变存储器的活性层的载流子行为的研究，主要是通过对所得的电流-电压曲线进行拟合，并结合相关理论提出对应的电阻转变机理。由于该方法只是对数据的拟合和根据一些可能的理论进行推导，得出的结论有待考究。该方法只适合作为机理研究的辅助证明。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种阻变存储器的机理的研究方法，旨在解决现有技术中还没有相对可靠的针对阻变存储器的活性层的载流子行为的研究方法。

本发明的技术方案如下：

一种阻变存储器的机理的研究方法，包括如下：

步骤A、提供阻变存储器中所用的活性层材料，将所述活性层材料在基底上制作成薄膜；

步骤B、将AFM调至接触模式下，利用导电原子力探针对所述薄膜的表面进行载流子的注入，形成载流子注入区；

步骤C、将AFM原位切换至表面电势测量模式，在保护气氛中对包含所述载流子注入区的区域进行连续的扫描，得到扫描区域的表面电势图，根据所述表面电势图评估载流子在所述活性层材料中的行为能力。

所述的阻变存储器的机理的研究方法，其中，所述步骤A中，薄膜的制作方法为旋涂或热蒸镀。

所述的阻变存储器的机理的研究方法，其中，所述步骤A中，所述薄膜的厚度为50-200 nm。

所述的阻变存储器的机理的研究方法，其中，所述步骤B中，对所述薄膜的表面进行载流子的注入的方法为：在所述薄膜的表面的两个区域，分别对导电原子力探针施加负偏压和正偏压。

所述的阻变存储器的机理的研究方法，其中，所述步骤C中，所述扫描区域为所述载流子注入区的面积的5倍以上。

所述的阻变存储器的机理的研究方法，其中，所述步骤C之后，还包括：

步骤D、对所述薄膜实施偏压操作，利用AFM和红外光谱联用技术，原位监测所述薄膜中的电流信息和红外谱图，根据原位监测的信息判断所述活性层材料有无发生氧化还原反应。

所述的阻变存储器的机理的研究方法，其中，对所述薄膜实施偏压操作的偏压为3-10V。

所述的阻变存储器的机理的研究方法，其中，在完成上述的研究方法中的步骤之后，还包括：

步骤E、将AFM原位切换至CAFM模式，在接触模式下成像，每成像一次，则利用导电原子力探针刮除一层所述活性层材料，对连续采集的图像进行整合，得到所述薄膜的三维结构的电流分布图，根据所述电流分布图判断所述活性层材料中是否形成了导电细丝。

所述的阻变存储器的机理的研究方法，其中，所述导电原子力探针采用金刚石材料制作而成。

所述的阻变存储器的机理的研究方法，其中，导电原子力探针刮除一层所述活性层材料时，刮除力为10-100 nN的恒定力。

有益效果：本发明提供了一种如上所述的阻变存储器的机理的研究方法，本发明采用原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）在活性材料薄膜表面注入载流子，并进行原位连续扫描得到扫描区域的表面电势图。根据表面电势图可以评估载流子在活性材料中的注入、迁移和保留的能力，进而可以判断阻变行为是否是由活性层对电荷的俘获/释放所引起，载流子注入以及后续的监测均是在原位条件下进行，因此检测结果准确可靠。本发明的研究方法对于阻变存储器的电阻转变机理的研究具有重要作用。

附图说明

图1为本发明实施例1中研究活性层材料对电荷的俘获/释放机理所对应的测试图。

图2为本发明实施例1中研究氧化还原反应机理所对应的红外光谱测试图。

图3为本发明实施例1中研究导电细丝机理所对应的测试图。

具体实施方式

本发明提供了一种阻变存储器的机理的研究方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。

本发明提供一种阻变存储器的机理的研究方法的较佳实施例，包括如下：

步骤A、提供阻变存储器中所用的活性层材料，将所述活性层材料在基底上制作成薄膜。

具体地，先将基底（优选硅片基底）清洗干净，然后采用旋涂或热蒸镀的方法，将活性层材料在基底上制作成薄膜，由于该工艺均为成熟的工艺，本发明不再赘述。薄膜的厚度为50-200 nm（优选100nm）。

步骤B、将AFM调至接触模式下，利用导电原子力探针对所述薄膜的表面进行载流子的注入，形成载流子注入区。

具体地，在接触模式下，利用导电原子力探针（SCM-PIT）对薄膜表面进行电子或空穴的注入，注入方法为：对导电原子力探针施加负偏压进行电子注入，然后在平面内控制导电原子力探针移动一段距离（例如2μm），再施加正偏压，进行空穴注入。

步骤C、将AFM原位切换至表面电势测量模式，在保护气氛（如氮气）中对包含所述载流子注入区的区域进行连续的扫描，得到扫描区域的表面电势图，根据所述表面电势图评估载流子在所述活性层材料中的行为能力。

优选的，所述扫描区域为所述载流子注入区的面积的5倍以上，以确保能够全面覆盖载流子的迁移区域。

本发明采用AFM在活性材料薄膜表面注入载流子，并进行原位连续扫描得到扫描区域的表面电势图。根据表面电势图可以评估载流子在活性材料中的注入、迁移和保留的能力，进而可以判断阻变行为是否是由活性层对电荷的俘获/释放所引起，载流子注入以及后续的监测均是在原位条件下进行，因此检测结果准确可靠。本发明的研究方法对于阻变存储器的电阻转变机理的研究具有重要作用。

进一步地，阻变存储器的电阻转变机理也有可能是基于活性层材料的氧化还原反应，针对这一机理，现有的方法是利用电化学工作站对活性层进行循环伏安测试，观察活性层材料在偏压刺激下是否发生氧化还原反应，来判断是否是氧化还原机理。由于该方法是在液相中进行，跟实际的器件经历的电刺激存在差异，准确性不高。

针对上述问题，在前述步骤C之后，本发明还可以做进一步的原位检测，验证样品的电阻转变机理是否是基于活性层材料的氧化还原反应，具体包括步骤D：对所述薄膜或导电原子力探针施加偏压，优选为3-10V，过大会引起样品不可逆的转变，过小无法诱导材料的阻变行为。对活性层进行偏压操作，可以引起活性层的阻变行为，利用AFM和红外光谱联用技术，原位监测所述薄膜中的电流信息和红外谱图，根据原位监测的信息判断所述活性层材料有无发生氧化还原反应。因此，结合步骤A至D，可以通过原位检测，判断阻变存储器的电阻转变机理到底是基于活性层材料对电荷的俘获/释放，还是基于活性层材料的氧化还原反应。

进一步地，阻变存储器的电阻转变机理还有可能是基于“导电细丝机理（活性层材料中形成了导电细丝）”。针对这一机理，现有的方法是利用透射电子显微镜或扫描电子显微镜进行研究。具体是通过拍摄阻变存储器在电阻转变之后的截面图，观察截面是否存在导电细丝。该方法只能用于判断是否是导电细丝机理，而不能通过原位检测实现多种机理的研究。

针对上述问题，本发明还可以做进一步的原位检测，在进行氧化还原机理和/或导电细丝机理研究之后，还包括步骤E：将AFM原位切换至CAFM（导电原子力显微镜）模式，在接触模式下成像，每成像一次，则利用导电原子力探针刮除一层所述活性层材料，对连续采集的图像进行整合，得到所述薄膜的三维结构的电流分布图，根据所述电流分布图判断所述活性层材料中是否形成了导电细丝。优选地，所述导电原子力探针采用金刚石材料制作而成，探针的刮除力优选为10-100 nN的恒定力，由于金刚石刚度较大，可以很好地控制探针力度，从而控制好每次刮除的活性层材料厚度。

本发明对阻变存储器的活性层材料通过原位检测，可以同时实现三种机理（电荷的俘获/释放机理、氧化还原机理以及导电细丝机理）的研究验证，进而判断该阻变存储器的电阻转变机理。由于是基于原位检测，检测结果更加准确可靠。

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

所述的原子力显微镜为布鲁克公司的Fastscan原子力显微镜。分别使用布鲁克公司的SCM-PIT和导电金刚石原子力探针。

（1）样品制作

以蚕丝蛋白作为活性层材料。用0.02M的碳酸钠溶液溶解剪碎的蚕茧，于沸水中煮60分钟，除去蚕茧中含有的丝胶。残留的纤维用大量的去离子水冲洗，并在室温下隔夜干燥，得到蚕丝蛋白粗产品。然后将蚕丝蛋白粗产品用9.3M的溴化锂溶液完全溶解，并转移至透析袋（截留分子量为3000）中，用超纯水透析3天（每12小时更换一次超纯水）。最后，离心透析液（转速：12000转/分钟），取上层清液即得到蚕丝蛋白溶液。利用所得到的蚕丝蛋白溶液，以清洗干净的硅片为基底，采用旋涂的方法即可制得测试所用的样品。

（2）载流子行为研究

在接触模式下，利用导电原子力探针对活性层材料的表面进行电子或空穴的注入，对导电原子力探针施加负偏压进行电子注入，然后在平面内控制导电原子力探针移动2μm，再施加正偏压，进行空穴注入，随后，在不改变探针扫描位置的情况下，将仪器切换至表面电势测量模式，在氮气保护下对载流子注入区进行扫描，扫描区域为流子注入区的5倍，结果如图1所示，颜色较深的圆区域电势较低，代表电子注入区，颜色较浅的区域（圆圈标记）电势较高，代表空穴注入区。蚕丝蛋白活性层材料的电子保留时间可以达到3个小时，证明蛋白层对电子的俘获能力很强。

（3）氧化还原反应机理研究

给样品施加偏压5 伏，利用AFM和红外光谱联用技术，原位监测蚕丝蛋白样品的电流信息和红外谱图，其中，红外谱图如图2所示，蚕丝蛋白在器件开启前后对应的红外谱图峰位基本无变化，说明蚕丝蛋白阻变并非由氧化还原反应引起。

（4）导电细丝机理研究

利用原子力显微镜的CAFM模式，结合金刚石导电原子力探针，在接触模式下成像，每扫描一幅图像，刮除一层活性层，刮除力为40nN。连续进行监测，结合作图软件对连续采集的图片进行整合，得到活性层三维结构的电流分布图，如图3所示，从下至上依次对应每刮除一厚度层后的活性层表面的电流分布图，三维图中并没有贯串Z向的导电丝通路，可以认定本实施例中活性层材料的阻变机理基于不是金属导电细丝原理。

综上所述，本发明提供了一种阻变存储器的机理的研究方法，本发明对阻变存储器的活性层材料通过原位检测，可以同时实现三种机理（电荷的俘获/释放机理、氧化还原机理以及导电细丝机理）的研究验证，进而判断该阻变存储器的电阻转变机理。由于是基于原位检测，检测结果更加准确可靠，为阻变存储器的电阻转变机理研究提供了一种全新、可靠的研究方法。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。