本发明专利技术涉及在同一种存储结构中实现和调控多种电阻转变方式的方法，包括单／双极性电阻转变和两种方向的双极性电阻转变，所述的电阻转变方式均可用于电阻式随机存储器。本发明专利技术中的存储结构为多层薄膜结构，包括顶电极、阻变层和底电极。顶电极为活泼金属，阻变层为稀土锰氧化物薄膜，底电极为贵金属或氧化物导电薄膜。通过控制活泼金属顶电极的厚度和施加特殊的电压扫描或脉冲过程实现了单／双电阻转变效应以及双极性电阻转变效应的极性翻转。在同一种存储结构中实现多种电阻转变方式的调控，可发挥多种电阻转变方式的优势，如单极性电阻转变的高转变率，双极性电阻转变的快速度。因此可在同一存储阵列中满足不同的存储要求，有利于其实际应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电阻式随机存储器用多层薄膜结构的电阻转变方式的调控， 更确切地说是在同一种存储结构中实现和调控多种电阻转变方式的方法，利 用这些电阻转变方式可以制造具有不同信息存储特征的电阻式随机存储器。 属于非挥发性存储器
技术介绍
目前，基于电脉冲诱发电阻可逆转变效应(EPIR: Electrical pulse induced resistance-switching)的非挥发性电阻式随机存储器(RRAM : Resistance random- access memory)的研究和开发受到了广泛的关注。与其他种类的随机 存储器相比，这种存储器具有高的存取速度、低的功耗、非破坏性读出、抗 辐射等优势，因此有望成为全面取代目前市场产品的新一代非挥发性存储器。 RRAM基本存储单元一般为金属-绝缘层-金属(MIM)多层薄膜结构。 其中，金属为顶(底)电极，绝缘层为阻变层， 一般为氧化物材料。这种存 储器的数据擦/写是通过MIM结构在外界电场作用下发生可逆电阻转变来实 现的。目前，已见报道的可逆电阻转变方式可分为两类 一种是单极性的电 阻转变(URS: unipolar resistance switching)。在URS中，电阻的升高(或降 低)不受所施加电压的极性的控制，而是取决于所施加的电压的大小。单极 性的电阻转变效应一般出现在二元氧化物薄膜中(如Ti02， Ni02， Zr02等)， 其特点是电阻转变率大(其中，电阻转变率定义为(Rh-Rl) /RU Rh (Rl) 分别为高阻态(低阻态)的电阻值)，高低电阻态保持性好，但其电阻转变次 数一般较少，阈值电压较高，可操作性差。另一种为双极性的电阻转变(BRS: bipolar resistance switching)。在BRS中，电阻的升高(或降低)取决于所施 加电压的极性。根据电阻转变极性方向的不同，BRS还可以分为两种 一种 为正向电压扫描时电阻升高，而在负向电压扫描时电阻降低，为了便于表述 定义为'正'BRS (其中，正向电压定义为电流从顶电极流入阻变层，从底电极流出所对应的电压方向)；另一种则为正向电压扫描时电阻降低，负向电压扫描时电阻升高，定义为'负'BRS。锰氧化物薄膜材料，如Pr。.7Cao.3Mn03 (PCMO)， Laa7Cao.3Mn03 (LCMO)等是典型的BRS材料。目前报道的BRS的 方向性主要是取决于顶电极材料，当活泼金属材料为顶电极时，如A1， Ti， Sm等， 一般表现为'正向，BRS，而当惰性贵金属为顶电极时，如Ag， Au 等， 一般为'负向，BRS。 —般而言，双极性电阻转变的阈值电压较低，转变次 数多，可操作性较好，并且可实现多组态高密度的存储，但是其电阻转变率 较小。其中，'负'双极性电阻转变速度较快，但其电阻转变率较小，而'正' 双极性电阻转变的速度一般较慢，但其电阻转变率一般高于'负'双极性的 电阻转变率。因此，URS、'正，BRS和'负，BRS等电阻转变方式均有优缺点，如能在同一种结构中实现多种电阻转变方式的调控，将有利于发挥其 各自的优势，满足实际信息存储中的不同应用要求。目前还未见在同一种结 构实现多种电阻转变方式调控的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电阻式随机存储器用多层薄膜结构的电阻转变 方式调控方法。本专利技术中的存储结构为多层薄膜结构，包括顶电极、阻变层和底电极。 本专利技术在制备出具有'正'双极性转变效应的多层薄膜结构基础上，在同一 存储器结构中通过控制顶电极的厚度以及施加一个电压扫描或脉冲作用实现 了单/双电阻转变以及'正'/ '反'双极性电阻转变方式的调控。所述的电阻转变方式的调控包括单/双极性电阻转变方式的调控；所述的 '正'向双极性电阻转变方式是指正向电压扫描或脉冲作用时电阻升高，而 负向电压扫描或脉冲作用时电阻降低；所述的'反'向双极性电阻转变方式 是指正向电压扫描或脉冲作用时电阻降低，而负向电压扫描或脉冲作用时电 阻升高；定义正向电压为电流从顶电极流入阻变层，从底电极流出所对应的 电压方向，单极性的电阻转变的电阻的升高或降低取决于施加的电压的大小而与极性无关。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术采用的阻变材料为稀土锰氧化物薄膜，薄膜组成通式为RE(1.x)MexMn03，式中RE为La、 Pr、 Nd、 Sm等稀土金属元素，Me为Ca、 Sr、 Ba等碱土金属元素，x=0.3。底电极为贵金属材料，如Pt，Ir等或化合物电极，如Ir02， LaNi03， SrRu03， TiN等顶电极为活泼金属材料，如Ti， Al， Sm， Ta等， 具有电阻开关性能的多层薄膜结构的制备方法，其步骤包括1) 选择二氧化硅和硅为衬底材料；2) 在衬底上制备金属或导电化合物薄膜作为底电极；3) 在底电极上制备阻变材料RE(1.x)MexMn034) 利用光刻，Lift-off (剥离)工艺制备出顶电极的图形5) 利用电子束蒸发或溅射工艺制备顶电极6) 利用电子束蒸发或溅射工艺制备电极保护层。步骤1利用热氧化或化学气相沉积(CVD)的方法将Si02隔离层生长 在单晶Si上，作为衬底。步骤2采用溅射或脉冲激光沉积(PLD)技术制备底电极，底电极为 Ti/Pt， TiN/Ir, TiN/Ir02, TiN/SrRu03, TiN/LaNK)3等，厚度为50 100nm，其中 Ti， TiN为粘结层厚度为2 10nm。步骤3采用脉冲激光沉积或溶胶-凝胶法制备出阻变材料 RE(1.x)MexMn03，厚度为50-300 nm。步骤4采用lift-off (剥离)制备出的电极图像，电极直径为5 50 pm。步骤5顶电极材料为活泼金属，如Ti， Al， Sm， Ta等，电极厚度为2~100nm步骤6保护层一般为耐氧化的贵金属材料如Au， Pt，或TiN， TaN等 化合物，保护层的厚度为50 100nm。本专利技术中电阻转变方式调控具体实现步骤如下 1)单/双极性电阻转变方式调控当活泼金属顶电极厚度为50 100nm时，对应的多层薄膜结构具有'正'应。对该多层结构施加正向电压扫描，发生软击穿，使多层薄膜结构的电阻降低到几十欧姆左右。该过程中采用限流100mA保护样 品，以免发生硬击穿。为便于表述，定义该过程为Forming过程。发生软击 穿时的电压为Forming电压(预处理电压)。其Forming电压一般为15~20V 左右。经过该forming过程后，进行电压扫描可以实现单极性的电阻转变效 应，高低电阻态转变的比率高达103 104倍。 2)'正'/ '反'双极性电阻转变方式调控当活泼金属顶电极厚度较薄，为2~30nm时，对应的多层薄膜结构也具 有'正'向双极性电阻转变效应。并且，此多层薄膜结构'正'双极性电阻 转变对应的高低电阻态比顶电极较厚时(如50 100nm)更稳定，所需要的 脉冲宽度更窄。对于此多层薄膜结构施加上述同样的Forming过程，Forming 电压一般为2 3V。经过Forming以后多层薄膜结构的电阻降低到几千欧姆， 即可得到'反'向双极性的电阻转变效应，此'反'向双极性所需要的脉冲 宽度较窄， 一般为100-500 ns。附图说明下面根据附图对本专利技术进一步详细地本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电阻式随机存储器用多层薄膜结构的电阻转变的调控方法，所述的多层薄膜结构，包括顶电极、阻变层和底电极，其特征在于在同一存储器结构中通过控制顶电极的厚度和施加一个电压扫描或脉冲作用过程实现电阻转变方式的调控。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李效民，杨蕊，于伟东，刘新军，曹逊，王群，张亦文，杨长，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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