新型過渡金屬氧化物基電阻存儲器的制備及機(jī)理研究

楊成彪 李紅霞 史月琴

摘 要：半導(dǎo)體存儲器成為現(xiàn)代科技不可或缺的重要部分，并扮演著越來越重要的角色。在二元金屬氧化物薄膜電阻轉(zhuǎn)換效應(yīng)過程中，器件使用性能方面仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，器件的穩(wěn)定性仍亟待提高。

關(guān)鍵詞：金屬氧化物;電阻存儲器;導(dǎo)電機(jī)理

在當(dāng)今這個信息化社會中，半導(dǎo)體存儲器成為現(xiàn)代科技不可或缺的重要部分。目前，閃存作為主流的非易失性存儲器，占據(jù)非易失性存儲器90%以上的市場份額。但是，閃存也存在一定的不足，其操作電壓較高，擦寫速度較慢，擦寫壽命僅為105～106次，這使其不能滿足未來信息的大容量和高速存儲的需要?，F(xiàn)在，傳統(tǒng)閃存技術(shù)發(fā)展遇到瓶頸，沒有一個受認(rèn)可的方案能解決這一問題，基于目前世界市場對非易失性隨機(jī)存儲器的巨大需求，研究和開發(fā)新型的非易失性存儲器是十分有意義的。

一、研究現(xiàn)狀

阻變存儲器的結(jié)構(gòu)十分簡單，是基于MIM的三明治結(jié)構(gòu)，其中M為金屬或者導(dǎo)電能力很好的非金屬電極，I為電阻轉(zhuǎn)變層，其中包括：二元金屬氧化物、鈣鈦礦氧化物、硫系化合物和有機(jī)物等。在這些材料之中，二元金屬氧化物（如TiO2、NiO及ZnO等）由于材料組分可控，制備方法簡單，與硅集成電路工藝相兼容等特點(diǎn)被認(rèn)為是一類有望應(yīng)用于阻變存儲器的材料，也是目前研究最多的一類材料。國內(nèi)多家科研院所及高校也在基于二元金屬氧化物的RRAM研究領(lǐng)域開展了大量的工作。

在二元金屬氧化物薄膜電阻轉(zhuǎn)換效應(yīng)過程中，導(dǎo)電細(xì)絲理論是目前為多數(shù)科研人員所接受的說法，該理論也被導(dǎo)電原子力顯微鏡及高分辨透射電鏡等先進(jìn)測試設(shè)備所證實(shí)。導(dǎo)電細(xì)絲的原理主要是：當(dāng)電路導(dǎo)通時，薄膜內(nèi)部會產(chǎn)生多條傳導(dǎo)路徑，使得流通的電流變大，此時薄膜器件處于一種開啟狀態(tài);當(dāng)導(dǎo)電通路斷裂后，通過薄膜的電流變小，此時薄膜器件處于一種關(guān)閉狀態(tài)。通常情況下，二元金屬氧化物薄膜的初始狀態(tài)為高阻態(tài)，需要一個較大的forming電壓來激活器件。forming過程類似于MOSFET中柵介質(zhì)薄膜的軟擊穿，會在氧化物薄膜中產(chǎn)生一些缺陷。在強(qiáng)電場的作用下，這些缺陷會在氧化物薄膜中遷移、滲透并形成一些由缺陷組成的連接上下電極的局域性導(dǎo)電通道。這時，器件由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)。需要注意的是，在forming過程中需要設(shè)置一個較小的限制電流來防止氧化物薄膜被永久性的擊穿。隨后，重新對器件進(jìn)行掃描，這時由于薄膜中的電流主要通過局域性的導(dǎo)電通道進(jìn)行傳輸，將產(chǎn)生大量的焦耳熱，導(dǎo)致導(dǎo)電通道斷裂，使得器件重新回到高阻狀態(tài)。當(dāng)再加一個限流的電壓進(jìn)行掃描時，熔斷的細(xì)絲將在電場作用下重新連接，使得器件重新由高阻態(tài)編程到低阻態(tài)。

二、導(dǎo)電機(jī)理

對于采用二元金屬氧化物薄膜為阻變材料的阻變存儲來說，其電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象主要是由于在電激勵的作用下薄膜中生成了多條導(dǎo)電細(xì)絲引起的。導(dǎo)電細(xì)絲可能是由電極產(chǎn)生的金屬離子或者氧化物本身生成的氧空位組成，但不論是哪種情況，導(dǎo)電細(xì)絲的生長過程都是隨機(jī)的，每一次開關(guān)循環(huán)中導(dǎo)電細(xì)絲的生長位置是變化的。因此，很難控制導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂過程，這就造成了阻變存儲器件轉(zhuǎn)變參數(shù)的離散性較大，可擦寫次數(shù)較低，器件穩(wěn)定性較差。導(dǎo)電細(xì)絲生長和斷裂的隨機(jī)性是影響器件存儲性能的主要因素。為了解決這一問題，國際上大部分研究小組都通過優(yōu)化器件的材料體系來改善二元金屬氧化物基RRAM器件轉(zhuǎn)變參數(shù)的均勻性。如Myoung-Jae Lee等人通過優(yōu)化NiO電阻轉(zhuǎn)變層的晶格結(jié)構(gòu)來改善RRAM器件的電阻轉(zhuǎn)變特性;劉琦等人對含有Cu納米晶層的ZrO2薄膜材料的原型器件的阻變性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)對阻變參數(shù)的離散性具有明顯的改善效果。通過優(yōu)化器件的材料體系，上述研究對二元金屬氧化物基阻變存儲器性能的穩(wěn)定性都有一定程度的改進(jìn)，但在器件使用性能方面仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，器件的穩(wěn)定性仍亟待提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐曉陽.過渡金屬氧化物基電極材料的制備及其電容性能研究[D].天津：天津大學(xué)，2017.

[2]莊君霞.過渡金屬氧化物電極材料的制備及其超級電容性能的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2014.

作者簡介：楊成彪（1996—），男，河北衡水人，學(xué)生。

通信作者：李紅霞（1978—），女，副教授，大學(xué)教師。