新型過渡金屬氧化物基電阻存儲器的制備及機理研究

楊成彪 李紅霞 史月琴

摘 要：半導體存儲器成為現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換效應過程中，器件使用性能方面仍不能滿足實際應用的要求，器件的穩(wěn)定性仍亟待提高。

關鍵詞：金屬氧化物;電阻存儲器;導電機理

在當今這個信息化社會中，半導體存儲器成為現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在，傳統閃存技術發(fā)展遇到瓶頸，沒有一個受認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、研究現狀

阻變存儲器的結構十分簡單，是基于MIM的三明治結構，其中M為金屬或者導電能力很好的非金屬電極，I為電阻轉變層，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被認為是一類有望應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研究領域開展了大量的工作。

在二元金屬氧化物薄膜電阻轉換效應過程中，導電細絲理論是目前為多數科研人員所接受的說法，該理論也被導電原子力顯微鏡及高分辨透射電鏡等先進測試設備所證實。導電細絲的原理主要是：當電路導通時，薄膜內部會產生多條傳導路徑，使得流通的電流變大，此時薄膜器件處于一種開啟狀態(tài);當導電通路斷裂后，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中柵介質薄膜的軟擊穿，會在氧化物薄膜中產生一些缺陷。在強電場的作用下，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電通道。這時，器件由高阻態(tài)轉變?yōu)榈妥钁B(tài)。需要注意的是，在forming過程中需要設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，重新對器件進行掃描，這時由于薄膜中的電流主要通過局域性的導電通道進行傳輸，將產生大量的焦耳熱，導致導電通道斷裂，使得器件重新回到高阻狀態(tài)。當再加一個限流的電壓進行掃描時，熔斷的細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、導電機理

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，其電阻轉變現象主要是由于在電激勵的作用下薄膜中生成了多條導電細絲引起的。導電細絲可能是由電極產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，導電細絲的生長過程都是隨機的，每一次開關循環(huán)中導電細絲的生長位置是變化的。因此，很難控制導電細絲的形成和斷裂過程，這就造成了阻變存儲器件轉變參數的離散性較大，可擦寫次數較低，器件穩(wěn)定性較差。導電細絲生長和斷裂的隨機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器件轉變參數的均勻性。如Myoung-Jae Lee等人通過優(yōu)化NiO電阻轉變層的晶格結構來改善RRAM器件的電阻轉變特性;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行了系統研究，結果表明，這種結構對阻變參數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，但在器件使用性能方面仍不能滿足實際應用的要求，器件的穩(wěn)定性仍亟待提高。

參考文獻：

[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，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，2014.

作者簡介：楊成彪（1996—），男，河北衡水人，學生。

通信作者：李紅霞（1978—），女，副教授，大學教師。