AlO x /WO y 阻變存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換特性和機(jī)理研究
發(fā)布時(shí)間：2021-01-24 22:02
通過構(gòu)造AlOx/WOy雙層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了阻變存儲(chǔ)器的均勻性、低功耗等特性,該器件阻變層中的AlOx為氧空位漸變的梯度膜,從而使得形成的導(dǎo)電細(xì)絲更加穩(wěn)定,在反復(fù)擦寫過程中導(dǎo)電細(xì)絲斷開和接上的位置基本不變,對(duì)應(yīng)器件電學(xué)性能參數(shù)分布集中.采用階梯脈沖信號(hào)結(jié)合Verify算法的方法對(duì)基于0.18μm CMOS工藝的Al/AlOx/WOy/W結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換特性、可靠性的測試,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:器件電學(xué)性能參數(shù)Ron、Roff和sct等具有良好的均勻性,且無需高電壓的初始置位過程;復(fù)位過程中復(fù)位電流小于15μA,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單層器件Reset電流,很好地滿足了存儲(chǔ)器件的低功耗要求;在小電壓長時(shí)間作用下,高低阻態(tài)仍保持不變,能有效地防止誤擦寫操作;通過高溫烘烤測試,驗(yàn)證了器件的數(shù)據(jù)保持能力.同時(shí),分析了WOy薄膜在器件高低阻態(tài)轉(zhuǎn)換過程中作為串聯(lián)電阻降低復(fù)位電流的作用.
【文章來源】：復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2014,53(01)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
Al().r/W().v雙層結(jié)構(gòu)TEM截面圖
火爐巾在400°C氮?dú)夥誣下進(jìn)行600s時(shí)間的快速熱退火（RapidThermalProcess,RTP)，這一^步對(duì)于在W()v層上形成A1Q,層至關(guān)重要.通過透射電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope,丁EM)和X射線光電譜(X-myPhotoelectronSpectroscopy,XPS)來表征Al().r層，而阻變存儲(chǔ)器的電性特性則通過Keithley4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)儀測試.2測試結(jié)果與討論圖1為A1().VW(),雙層結(jié)構(gòu)的TEM截面圖，可以看到在上電極A1和W襯底之間存在著約5nm厚的AlO,和22nm厚的W()v.對(duì)閣1巾的Al().r由表及里進(jìn)行采樣并通過XPS表征得到A12p電子結(jié)合能譜，如圖2所示,其屮表層對(duì)應(yīng)XPS峰值為72.85eV，對(duì)應(yīng)A1原子；逐漸向里出現(xiàn)兩個(gè)峰共存的現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)峰值為72.85eV和75.75eV,后者對(duì)應(yīng)鋁離子A134峰；到更里層時(shí)則只有AP1峰.從由表及里A1元素價(jià)態(tài)的變化可知該Ala層為氧含量呈梯度變化的薄膜.通過RTP退火處理，WOv巾的氧進(jìn)人A1金屬層形成非化學(xué)計(jì)量比的AK).,層.Jai。A12p/‘‘ 1 1 I 1 1 606570758085圖1Al().r/W().v雙層結(jié)構(gòu)TEM截面圖 圖2元素A1的XPS圖譜Fig.1TEMcross-sectionalimagesoftheAlQr/WO)device Fig.2XPSanalysisofA12p圖3(a)(見第26頁）為Aia/WO),雙層結(jié)構(gòu)的阻變轉(zhuǎn)換特性曲線，是一典型的雙極型阻變轉(zhuǎn)換(bipolarswitching).測試時(shí)，電壓作用在上電極A1層，下電極W接地.所測器件單元初始態(tài)均為高阻，當(dāng)施加一正電壓在上電極A1上后，電流起初沒有明顯增加，當(dāng)電壓加到大于某一特定值后，電流急劇增加并限制在限流10yA處，此時(shí)器件處于低肌態(tài)（LRS)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)變電壓稱為腎位電樂V..,.通常酋次賢位電壓較之后Set過程所需大，因而常稱酋次^位過程為Form—操作，這一現(xiàn)象在許多材料體系屮都存在,這也給設(shè)計(jì)電路電壓供應(yīng)方面提出了
pendenceofRimandRt,“，negativetemperaturecoefficientisobservedandVariablerangehoppingconductionisfittedinR,?,測試結(jié)果顯示，本文所提器件結(jié)構(gòu)具有良好的耐久力和均勻的轉(zhuǎn)換特件.n先，本測試采川階梯脈沖信號(hào)，如圖4所示，脈沖寬度均設(shè)為 1f_us，電壓信號(hào)逐步增加，并引人Verify _階梯增加-了一了 算法，即每個(gè)脈沖信號(hào)作用后均用小111脈沖_]|+|二丁L-JLr-J壓對(duì)單元進(jìn)行讀操作，一旦阻態(tài)已經(jīng)發(fā)脈寬 讀fe號(hào)生改變，階梯脈沖信號(hào)立即停止，由此來確定各個(gè)器件單元對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變電壓.如圖5(a)所示，Al(),/WOy器件在 I%41——nl經(jīng)歷1000次轉(zhuǎn)換后仍能保持50倍窗口.根據(jù)我們之前實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，此収層結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵肌變轉(zhuǎn)換功能的足AK),.層[15]，因而如此優(yōu)良的耐久力源于氧空位梯度分布的八1(),層，見閣2，類似結(jié)果在P.Zhou提出的漸變氧濃度OARRAM中也觀測到[氣另外，低阻態(tài)和高阻態(tài)分布非常集中，80%以上的/<?,和尺,?分別分布在20k歐和1M歐左右，如圖5(a)所示.Set電壓和Reset電丨K的分布也扣當(dāng)集巾，見閣5(b).據(jù)報(bào)道，通過在器件巾嵌人納米晶或者構(gòu)造非對(duì)稱緩沖層可以在功能層屮形成納米h丨：級(jí)的集丨丨■導(dǎo)電通邊，從而改善RRAM阻變轉(zhuǎn)換參數(shù)的均勻性l2_w’121.基于以丨：報(bào)進(jìn)以及木實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)AK),/W()V的器件特忡，圖6為器件阻變轉(zhuǎn)換微觀機(jī)理示意圖.當(dāng)器件單元處于初始態(tài)（InitialResistanceState,IRS)時(shí)，氧空位在AK),中分布較為隨機(jī)且分散,當(dāng)外界施加一電壓時(shí),在]：下電極間無導(dǎo)電通道，故呈現(xiàn)高阻，如圖6(a)所示.而當(dāng)電壓持續(xù)加載于IRS時(shí)，帶正電的氧空位在兩極間的分布形態(tài)在電場作州下發(fā)生改變，并Jli終/K晶界等缺陷態(tài)密集處形成貫穿Al(t層的導(dǎo)電細(xì)絲（filament),栽流子沿☆filament/l?：電場作丨HF作定
本文編號(hào)：2998009
【文章來源】：復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2014,53(01)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
Al().r/W().v雙層結(jié)構(gòu)TEM截面圖
火爐巾在400°C氮?dú)夥誣下進(jìn)行600s時(shí)間的快速熱退火（RapidThermalProcess,RTP)，這一^步對(duì)于在W()v層上形成A1Q,層至關(guān)重要.通過透射電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope,丁EM)和X射線光電譜(X-myPhotoelectronSpectroscopy,XPS)來表征Al().r層，而阻變存儲(chǔ)器的電性特性則通過Keithley4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)儀測試.2測試結(jié)果與討論圖1為A1().VW(),雙層結(jié)構(gòu)的TEM截面圖，可以看到在上電極A1和W襯底之間存在著約5nm厚的AlO,和22nm厚的W()v.對(duì)閣1巾的Al().r由表及里進(jìn)行采樣并通過XPS表征得到A12p電子結(jié)合能譜，如圖2所示,其屮表層對(duì)應(yīng)XPS峰值為72.85eV，對(duì)應(yīng)A1原子；逐漸向里出現(xiàn)兩個(gè)峰共存的現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)峰值為72.85eV和75.75eV,后者對(duì)應(yīng)鋁離子A134峰；到更里層時(shí)則只有AP1峰.從由表及里A1元素價(jià)態(tài)的變化可知該Ala層為氧含量呈梯度變化的薄膜.通過RTP退火處理，WOv巾的氧進(jìn)人A1金屬層形成非化學(xué)計(jì)量比的AK).,層.Jai。A12p/‘‘ 1 1 I 1 1 606570758085圖1Al().r/W().v雙層結(jié)構(gòu)TEM截面圖 圖2元素A1的XPS圖譜Fig.1TEMcross-sectionalimagesoftheAlQr/WO)device Fig.2XPSanalysisofA12p圖3(a)(見第26頁）為Aia/WO),雙層結(jié)構(gòu)的阻變轉(zhuǎn)換特性曲線，是一典型的雙極型阻變轉(zhuǎn)換(bipolarswitching).測試時(shí)，電壓作用在上電極A1層，下電極W接地.所測器件單元初始態(tài)均為高阻，當(dāng)施加一正電壓在上電極A1上后，電流起初沒有明顯增加，當(dāng)電壓加到大于某一特定值后，電流急劇增加并限制在限流10yA處，此時(shí)器件處于低肌態(tài)（LRS)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)變電壓稱為腎位電樂V..,.通常酋次賢位電壓較之后Set過程所需大，因而常稱酋次^位過程為Form—操作，這一現(xiàn)象在許多材料體系屮都存在,這也給設(shè)計(jì)電路電壓供應(yīng)方面提出了
pendenceofRimandRt,“，negativetemperaturecoefficientisobservedandVariablerangehoppingconductionisfittedinR,?,測試結(jié)果顯示，本文所提器件結(jié)構(gòu)具有良好的耐久力和均勻的轉(zhuǎn)換特件.n先，本測試采川階梯脈沖信號(hào)，如圖4所示，脈沖寬度均設(shè)為 1f_us，電壓信號(hào)逐步增加，并引人Verify _階梯增加-了一了 算法，即每個(gè)脈沖信號(hào)作用后均用小111脈沖_]|+|二丁L-JLr-J壓對(duì)單元進(jìn)行讀操作，一旦阻態(tài)已經(jīng)發(fā)脈寬 讀fe號(hào)生改變，階梯脈沖信號(hào)立即停止，由此來確定各個(gè)器件單元對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變電壓.如圖5(a)所示，Al(),/WOy器件在 I%41——nl經(jīng)歷1000次轉(zhuǎn)換后仍能保持50倍窗口.根據(jù)我們之前實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，此収層結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵肌變轉(zhuǎn)換功能的足AK),.層[15]，因而如此優(yōu)良的耐久力源于氧空位梯度分布的八1(),層，見閣2，類似結(jié)果在P.Zhou提出的漸變氧濃度OARRAM中也觀測到[氣另外，低阻態(tài)和高阻態(tài)分布非常集中，80%以上的/<?,和尺,?分別分布在20k歐和1M歐左右，如圖5(a)所示.Set電壓和Reset電丨K的分布也扣當(dāng)集巾，見閣5(b).據(jù)報(bào)道，通過在器件巾嵌人納米晶或者構(gòu)造非對(duì)稱緩沖層可以在功能層屮形成納米h丨：級(jí)的集丨丨■導(dǎo)電通邊，從而改善RRAM阻變轉(zhuǎn)換參數(shù)的均勻性l2_w’121.基于以丨：報(bào)進(jìn)以及木實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)AK),/W()V的器件特忡，圖6為器件阻變轉(zhuǎn)換微觀機(jī)理示意圖.當(dāng)器件單元處于初始態(tài)（InitialResistanceState,IRS)時(shí)，氧空位在AK),中分布較為隨機(jī)且分散,當(dāng)外界施加一電壓時(shí),在]：下電極間無導(dǎo)電通道，故呈現(xiàn)高阻，如圖6(a)所示.而當(dāng)電壓持續(xù)加載于IRS時(shí)，帶正電的氧空位在兩極間的分布形態(tài)在電場作州下發(fā)生改變，并Jli終/K晶界等缺陷態(tài)密集處形成貫穿Al(t層的導(dǎo)電細(xì)絲（filament),栽流子沿☆filament/l?：電場作丨HF作定
本文編號(hào)：2998009
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