過渡族金屬氧化物基阻變器件電阻轉變特性及其機理研究.pdf

1、電阻型隨機存儲器(RRAM)是一類非常有前途的新型非易失性半導體存儲器。基于過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，是新一代非易失性存儲器的有力候選者。經過十多年地發(fā)展，相關器件的制備和新材料體系的開發(fā)上有了明顯進展。然而RRAM領域中仍然存在很多問題需要解決，物理機制還不清晰，而阻變參數分散和阻變位置的不可控性等問題也困擾著RRAM的應用。本文以ZnO，CuOx/

2、Si和WO3氧化物材料作為研究對象，在微結構、工作機理以及研究方法等方面對RRAM的關鍵技術進行研究，主要得到以下結果:
　　(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器件中實現了雙極性和單極性兩種轉變方式的可控轉換。研究表明Ag/AgOx/Zn0.8Mg0.2O/Pt器件的電阻轉變過程中焦耳熱效應和電場致離子遷移運動并存，相互

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

5、面氧化還原反應生成結構均勻的SiOx絕緣層，成功制備了具有類均勻轉變特性的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、復阻抗譜圖、I-V曲線的對稱性、氧化還原反應公式、界面層有效厚度的計算及AES深度剖析逐步證實了CuOx/Si界面SiOx層的存在，并且該層對器件類均勻轉變特性起了至關重要的作用。GE過程實質上是電壓掃描過程中界面處

6、發(fā)生氧化還原反應，SiOx層厚度逐漸增加導致。
　　通過對I-V曲線和交流電導率的分析對器件的電輸運特性，低阻態(tài)的弛豫行為和電阻轉變機制進行了詳細地研究。器件的電輸運特性表現為空間電荷限制電流機制(SCLC)，初始態(tài)器件中SiOx層結構較為完整，缺陷含量少，因此不存在淺陷阱控制的SCLC過程。經過電壓掃描后，Cu+/Cu2+離子進入SiOx層中，成為電子躍遷的陷阱，使器件表現出淺陷阱控制的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散系數也隨之增加，離子濃度降低，即低阻態(tài)的弛豫過程由Cu+/Cu2+離子擴散出SiOx層導致。復電導率實部隨頻率變化的曲線高頻下符合fβ型（β～1）的交流電導行為，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，進而使器件表現為類均勻轉變。該工作為制備均勻轉變器件提供了新的思路和方法。
　　(3)采用C-AFM技術研究了WO3-x阻