阳离子基阻变存储器的研究进展
发布时间：2019-07-18 19:12
【摘要】：基于电荷存储的传统非易失存储技术越来越难以满足大数据时代对海量信息的存储需求,亟需发展基于新材料、新原理的非易失存储技术。基于阳离子电化学效应的阻变存储器具有结构简单、速度快、功耗低、可缩小性好、易于三维集成等优点,被认为是下一代非易失存储器的有力竞争者。然而,器件参数离散性大以及阻变机制不清晰严重阻碍了该类器件的快速发展。近几年,国内外学者通过材料和结构的优化设计显著提高了器件的性能,借助先进的表征技术阐明了器件电阻转变的微观机制,为阳离子基阻变存储器的大规模生产和应用奠定了科学基础。从材料改性、器件结构设计和微观机制表征三个方面综述了阳离子基阻变存储器的研究进展,并对其未来的研究方向和发展趋势进行了展望。
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图片说明： 物理和化学反应，从而实现材料的掺杂。中科院微电子研究所刘明院士团队［20－21］首次采用了离子注入的方法，研究了ZrO2中掺杂Zr，Au，Ti等离子对器件阻变性能的改善。以Ti掺杂为例，首先在Pt电极上生长70nm的ZrO2薄膜，然后通过离子注入(注入的剂量为1×1012cm－2，50keV)将Ti离子注入到ZrO2薄膜中，最后在400℃下退火120s。相对于没有离子注入的原始器件Cu/ZrO2/Pt，通过离子注入制备的Cu/ZrO2:Ti/Pt操作电压明显降低，而且操作电压和高低阻态的分布也更加集中，如图1所示。并且，图1Ti离子注入前后器件的阻变特性:(a)～(b)Ti离子注入前和注入后的器件的电压扫描曲线(10次循环);(c)～(d)Ti离子注入前和注入后的电压参数和高低阻态的分布［20］Fig.1TheresistiveswitchingcharacteristicsoftheCu/ZrO2/PtandCu/ZrO2:Ti/Ptdevices:(a)～(b)TheDCsweepingcharacteristics，(c)～(d)Theoperationvoltagesandresistancesdistributions［20］82
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图片说明： 生一些显著的变化。GuanW等［22］报道了Cu掺杂的ZrO2薄膜中无极性转变的现象。首先通过电子束蒸发工艺在两层ZrO2薄膜中插入一层3nm的Cu薄膜，，从而制备成Cu/ZrO2∶Cu/Pt器件。该器件表现出性能优良的无极性转变特性，如图2所示。并且随后的测试表明，高低阻态能够在常温下保持10年以上。随后，Wang等在两层HfO2薄膜中插入3nm的Cu薄膜，制备出的Cu/HfO2∶Cu/Pt器件也展现出优良的无极性转变特性，器件的存储窗口达到107以上，超过100次以上的循环，保持性能好，而且展现出多值存储的潜力。图2Cu/ZrO2∶Cu/Pt器件的无极性转变特性。插图(a)是器件在直流扫描下的重复特性;插图(b)是对数坐标的I－V曲线［22］Fig.2ThenonpolarswitchingofCu/ZrO2∶Cu/Pt．Inset(a)showsthereproducibilityoftheresistiveswitchinginDCsweepingmode．Inset(b)showstheI－Vfittingresultinlog－logscale［22］热退火主要是将材料暴露在高温中一段时间，然后再慢慢冷却的热处理过程。在加热的过程中，一部分金属材料的热扩散效应将会加剧，从而实现掺杂过程。Chen等［23］利用热退火的方法制备了Cu掺杂的Pt/AlN∶Cu/Pt，该器件展示出了优良的无极性阻变性能。Luo等［24］利用热退火方法制备了掺杂的Cu/Cu－doped－HfO2/Pt器件，该器件表现出了特殊的阈值开关阻变特性，可以用在交叉阵列中作为选通管。在阻变层中实现掺杂的另一种手段是共溅射，通过控制轰击靶材的能力，就可以实现不同浓度的掺杂。Tsai等［25］利用共溅射的方法在SiOx中掺杂Zr，射频溅射的能量分别为200W和20W，从而制备了SiOx∶Zr薄膜的阻变器件，该器件的操作电压较低、电压分布更加紧凑、高低阻态分布更加稳定而且循?
【作者单位】： 中国科学院微电子研究所;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(61422407,61474136)
【分类号】：TP333
本文编号：2516025
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图片说明： 物理和化学反应，从而实现材料的掺杂。中科院微电子研究所刘明院士团队［20－21］首次采用了离子注入的方法，研究了ZrO2中掺杂Zr，Au，Ti等离子对器件阻变性能的改善。以Ti掺杂为例，首先在Pt电极上生长70nm的ZrO2薄膜，然后通过离子注入(注入的剂量为1×1012cm－2，50keV)将Ti离子注入到ZrO2薄膜中，最后在400℃下退火120s。相对于没有离子注入的原始器件Cu/ZrO2/Pt，通过离子注入制备的Cu/ZrO2:Ti/Pt操作电压明显降低，而且操作电压和高低阻态的分布也更加集中，如图1所示。并且，图1Ti离子注入前后器件的阻变特性:(a)～(b)Ti离子注入前和注入后的器件的电压扫描曲线(10次循环);(c)～(d)Ti离子注入前和注入后的电压参数和高低阻态的分布［20］Fig.1TheresistiveswitchingcharacteristicsoftheCu/ZrO2/PtandCu/ZrO2:Ti/Ptdevices:(a)～(b)TheDCsweepingcharacteristics，(c)～(d)Theoperationvoltagesandresistancesdistributions［20］82
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图片说明： 生一些显著的变化。GuanW等［22］报道了Cu掺杂的ZrO2薄膜中无极性转变的现象。首先通过电子束蒸发工艺在两层ZrO2薄膜中插入一层3nm的Cu薄膜，，从而制备成Cu/ZrO2∶Cu/Pt器件。该器件表现出性能优良的无极性转变特性，如图2所示。并且随后的测试表明，高低阻态能够在常温下保持10年以上。随后，Wang等在两层HfO2薄膜中插入3nm的Cu薄膜，制备出的Cu/HfO2∶Cu/Pt器件也展现出优良的无极性转变特性，器件的存储窗口达到107以上，超过100次以上的循环，保持性能好，而且展现出多值存储的潜力。图2Cu/ZrO2∶Cu/Pt器件的无极性转变特性。插图(a)是器件在直流扫描下的重复特性;插图(b)是对数坐标的I－V曲线［22］Fig.2ThenonpolarswitchingofCu/ZrO2∶Cu/Pt．Inset(a)showsthereproducibilityoftheresistiveswitchinginDCsweepingmode．Inset(b)showstheI－Vfittingresultinlog－logscale［22］热退火主要是将材料暴露在高温中一段时间，然后再慢慢冷却的热处理过程。在加热的过程中，一部分金属材料的热扩散效应将会加剧，从而实现掺杂过程。Chen等［23］利用热退火的方法制备了Cu掺杂的Pt/AlN∶Cu/Pt，该器件展示出了优良的无极性阻变性能。Luo等［24］利用热退火方法制备了掺杂的Cu/Cu－doped－HfO2/Pt器件，该器件表现出了特殊的阈值开关阻变特性，可以用在交叉阵列中作为选通管。在阻变层中实现掺杂的另一种手段是共溅射，通过控制轰击靶材的能力，就可以实现不同浓度的掺杂。Tsai等［25］利用共溅射的方法在SiOx中掺杂Zr，射频溅射的能量分别为200W和20W，从而制备了SiOx∶Zr薄膜的阻变器件，该器件的操作电压较低、电压分布更加紧凑、高低阻态分布更加稳定而且循?
【作者单位】： 中国科学院微电子研究所;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(61422407,61474136)
【分类号】：TP333
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本文编号：2516025
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