過渡族金屬氧化物基阻變器件電阻轉(zhuǎn)變特性及其機(jī)理研究.pdf

1、電阻型隨機(jī)存儲器(RRAM)是一類非常有前途的新型非易失性半導(dǎo)體存儲器?；谶^渡金屬氧化物材料的RRAM器件具有“價格低，功率小，速度快，與CMOS工藝兼容性更好及物理性能更豐富”等優(yōu)點(diǎn)，是新一代非易失性存儲器的有力候選者。經(jīng)過十多年地發(fā)展，相關(guān)器件的制備和新材料體系的開發(fā)上有了明顯進(jìn)展。然而RRAM領(lǐng)域中仍然存在很多問題需要解決，物理機(jī)制還不清晰，而阻變參數(shù)分散和阻變位置的不可控性等問題也困擾著RRAM的應(yīng)用。本文以ZnO，CuOx/

2、Si和WO3氧化物材料作為研究對象，在微結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理以及研究方法等方面對RRAM的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)果:
　　(1)通過在Ag/Zn0.8Mg0.2O之間添加緩沖層AgOx，成功得到具有穩(wěn)定阻變性能及極小轉(zhuǎn)變閾值電壓的雙極性Ag/AgOx/Zn0.8Mg0.2O/Pt器件。該雙極性器件具有非常窄的轉(zhuǎn)變閾值電壓和高低組態(tài)電阻值分布，σ/μ值分別為6.7％(Vset)，11.8％（Vreset），9％(LRS)，29.

3、5％(HRS)。同時，該器件與其他已報道的氧化物基RRAM器件相比具有最小的轉(zhuǎn)變閾值電壓值（Vset:0.11V～0.19V; Vreset:-0.14V～-0.18V），大大降低了器件在使用過程中的能量消耗。
　　同時我們在 Ag/AgOx/Zn0.8Mg0.2O/Pt器件中實(shí)現(xiàn)了雙極性和單極性兩種轉(zhuǎn)變方式的可控轉(zhuǎn)換。研究表明Ag/AgOx/Zn0.8Mg0.2O/Pt器件的電阻轉(zhuǎn)變過程中焦耳熱效應(yīng)和電場致離子遷移運(yùn)動并存，相互

4、競爭。當(dāng)離子遷移運(yùn)動占主導(dǎo)地位時，器件表現(xiàn)出雙極性轉(zhuǎn)變行為。通過對雙極性器件的高阻態(tài)進(jìn)行短時脈沖處理，該器件從雙極性轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)換為單極性轉(zhuǎn)變。脈沖處理使Zn0.8Mg0.2O層中的絲通道發(fā)生變形，焦耳熱效應(yīng)起主導(dǎo)作用，器件表現(xiàn)出單極性轉(zhuǎn)變行為。隨后對單極性器件進(jìn)行負(fù)向偏壓掃描，一定條件下，器件的阻變類型轉(zhuǎn)換為雙極性轉(zhuǎn)變。這種特性使該器件能夠根據(jù)不同的需要在兩種轉(zhuǎn)變方式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展了器件的應(yīng)用范圍。
　?。?)利用CuOx/Si界

5、面氧化還原反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)均勻的SiOx絕緣層，成功制備了具有類均勻轉(zhuǎn)變特性的Pt/CuOx/Si/Pt器件。該器件具有漸變的電形成過程(GE過程)，隨著電壓掃描次數(shù)的增加，電阻值逐漸增加，同時電容值逐漸減小。我們通過對比試驗(yàn)、復(fù)阻抗譜圖、I-V曲線的對稱性、氧化還原反應(yīng)公式、界面層有效厚度的計算及AES深度剖析逐步證實(shí)了CuOx/Si界面SiOx層的存在，并且該層對器件類均勻轉(zhuǎn)變特性起了至關(guān)重要的作用。GE過程實(shí)質(zhì)上是電壓掃描過程中界面處

6、發(fā)生氧化還原反應(yīng)，SiOx層厚度逐漸增加導(dǎo)致。
　　通過對I-V曲線和交流電導(dǎo)率的分析對器件的電輸運(yùn)特性，低阻態(tài)的弛豫行為和電阻轉(zhuǎn)變機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)地研究。器件的電輸運(yùn)特性表現(xiàn)為空間電荷限制電流機(jī)制(SCLC)，初始態(tài)器件中SiOx層結(jié)構(gòu)較為完整，缺陷含量少，因此不存在淺陷阱控制的SCLC過程。經(jīng)過電壓掃描后，Cu+/Cu2+離子進(jìn)入SiOx層中，成為電子躍遷的陷阱，使器件表現(xiàn)出淺陷阱控制的SCLC過程。在低阻態(tài)弛豫的過程中，SiO

7、x層的厚度沒有發(fā)生變化，電阻增加后，Cu+/Cu2+離子的弛豫時間和擴(kuò)散系數(shù)也隨之增加，離子濃度降低，即低阻態(tài)的弛豫過程由Cu+/Cu2+離子擴(kuò)散出SiOx層導(dǎo)致。復(fù)電導(dǎo)率實(shí)部隨頻率變化的曲線高頻下符合fβ型（β～1）的交流電導(dǎo)行為，表明弛豫中心或躍迂勢壘分布均勻，Cu+/Cu2+離子在SiOx層中分布較均勻，進(jìn)而使器件表現(xiàn)為類均勻轉(zhuǎn)變。該工作為制備均勻轉(zhuǎn)變器件提供了新的思路和方法。
　　(3)采用C-AFM技術(shù)研究了WO3-x阻