AlO x /WO y 阻变存储结构的转换特性和机理研究
发布时间：2021-01-24 22:02
通过构造AlOx/WOy双层结构实现了阻变存储器的均匀性、低功耗等特性,该器件阻变层中的AlOx为氧空位渐变的梯度膜,从而使得形成的导电细丝更加稳定,在反复擦写过程中导电细丝断开和接上的位置基本不变,对应器件电学性能参数分布集中.采用阶梯脉冲信号结合Verify算法的方法对基于0.18μm CMOS工艺的Al/AlOx/WOy/W结构的阻变存储单元进行转换特性、可靠性的测试,统计结果表明:器件电学性能参数Ron、Roff和sct等具有良好的均匀性,且无需高电压的初始置位过程;复位过程中复位电流小于15μA,远远小于单层器件Reset电流,很好地满足了存储器件的低功耗要求;在小电压长时间作用下,高低阻态仍保持不变,能有效地防止误擦写操作;通过高温烘烤测试,验证了器件的数据保持能力.同时,分析了WOy薄膜在器件高低阻态转换过程中作为串联电阻降低复位电流的作用.
【文章来源】：复旦学报(自然科学版). 2014,53(01)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Al().r/W().v双层结构TEM截面图
火炉巾在400°C氮气氛_下进行600s时间的快速热退火（RapidThermalProcess,RTP)，这一^步对于在W()v层上形成A1Q,层至关重要.通过透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope,丁EM)和X射线光电谱(X-myPhotoelectronSpectroscopy,XPS)来表征Al().r层，而阻变存储器的电性特性则通过Keithley4200-SCS半导体参数仪测试.2测试结果与讨论图1为A1().VW(),双层结构的TEM截面图，可以看到在上电极A1和W衬底之间存在着约5nm厚的AlO,和22nm厚的W()v.对阁1巾的Al().r由表及里进行采样并通过XPS表征得到A12p电子结合能谱，如图2所示,其屮表层对应XPS峰值为72.85eV，对应A1原子；逐渐向里出现两个峰共存的现象，对应峰值为72.85eV和75.75eV,后者对应铝离子A134峰；到更里层时则只有AP1峰.从由表及里A1元素价态的变化可知该Ala层为氧含量呈梯度变化的薄膜.通过RTP退火处理，WOv巾的氧进人A1金属层形成非化学计量比的AK).,层.Jai。A12p/‘‘ 1 1 I 1 1 606570758085图1Al().r/W().v双层结构TEM截面图 图2元素A1的XPS图谱Fig.1TEMcross-sectionalimagesoftheAlQr/WO)device Fig.2XPSanalysisofA12p图3(a)(见第26页）为Aia/WO),双层结构的阻变转换特性曲线，是一典型的双极型阻变转换(bipolarswitching).测试时，电压作用在上电极A1层，下电极W接地.所测器件单元初始态均为高阻，当施加一正电压在上电极A1上后，电流起初没有明显增加，当电压加到大于某一特定值后，电流急剧增加并限制在限流10yA处，此时器件处于低肌态（LRS)，对应转变电压称为肾位电乐V..,.通常酋次贤位电压较之后Set过程所需大，因而常称酋次^位过程为Form—操作，这一现象在许多材料体系屮都存在,这也给设计电路电压供应方面提出了
pendenceofRimandRt,“，negativetemperaturecoefficientisobservedandVariablerangehoppingconductionisfittedinR,?,测试结果显示，本文所提器件结构具有良好的耐久力和均匀的转换特件.n先，本测试采川阶梯脉冲信号，如图4所示，脉冲宽度均设为 1f_us，电压信号逐步增加，并引人Verify _阶梯增加-了一了 算法，即每个脉冲信号作用后均用小111脉冲_]|+|二丁L-JLr-J压对单元进行读操作，一旦阻态已经发脉宽 读fe号生改变，阶梯脉冲信号立即停止，由此来确定各个器件单元对应的转变电压.如图5(a)所示，Al(),/WOy器件在 I%41——nl经历1000次转换后仍能保持50倍窗口.根据我们之前实验室结果，此収层结构中起关键肌变转换功能的足AK),.层[15]，因而如此优良的耐久力源于氧空位梯度分布的八1(),层，见阁2，类似结果在P.Zhou提出的渐变氧浓度OARRAM中也观测到[气另外，低阻态和高阻态分布非常集中，80%以上的/<?,和尺,?分别分布在20k欧和1M欧左右，如图5(a)所示.Set电压和Reset电丨K的分布也扣当集巾，见阁5(b).据报道，通过在器件巾嵌人纳米晶或者构造非对称缓冲层可以在功能层屮形成纳米h丨：级的集丨丨■导电通边，从而改善RRAM阻变转换参数的均匀性l2_w’121.基于以丨：报进以及木实验结构AK),/W()V的器件特忡，图6为器件阻变转换微观机理示意图.当器件单元处于初始态（InitialResistanceState,IRS)时，氧空位在AK),中分布较为随机且分散,当外界施加一电压时,在]：下电极间无导电通道，故呈现高阻，如图6(a)所示.而当电压持续加载于IRS时，带正电的氧空位在两极间的分布形态在电场作州下发生改变，并Jli终/K晶界等缺陷态密集处形成贯穿Al(t层的导电细丝（filament),栽流子沿☆filament/l?：电场作丨HF作定
本文编号：2998009
【文章来源】：复旦学报(自然科学版). 2014,53(01)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Al().r/W().v双层结构TEM截面图
火炉巾在400°C氮气氛_下进行600s时间的快速热退火（RapidThermalProcess,RTP)，这一^步对于在W()v层上形成A1Q,层至关重要.通过透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope,丁EM)和X射线光电谱(X-myPhotoelectronSpectroscopy,XPS)来表征Al().r层，而阻变存储器的电性特性则通过Keithley4200-SCS半导体参数仪测试.2测试结果与讨论图1为A1().VW(),双层结构的TEM截面图，可以看到在上电极A1和W衬底之间存在着约5nm厚的AlO,和22nm厚的W()v.对阁1巾的Al().r由表及里进行采样并通过XPS表征得到A12p电子结合能谱，如图2所示,其屮表层对应XPS峰值为72.85eV，对应A1原子；逐渐向里出现两个峰共存的现象，对应峰值为72.85eV和75.75eV,后者对应铝离子A134峰；到更里层时则只有AP1峰.从由表及里A1元素价态的变化可知该Ala层为氧含量呈梯度变化的薄膜.通过RTP退火处理，WOv巾的氧进人A1金属层形成非化学计量比的AK).,层.Jai。A12p/‘‘ 1 1 I 1 1 606570758085图1Al().r/W().v双层结构TEM截面图 图2元素A1的XPS图谱Fig.1TEMcross-sectionalimagesoftheAlQr/WO)device Fig.2XPSanalysisofA12p图3(a)(见第26页）为Aia/WO),双层结构的阻变转换特性曲线，是一典型的双极型阻变转换(bipolarswitching).测试时，电压作用在上电极A1层，下电极W接地.所测器件单元初始态均为高阻，当施加一正电压在上电极A1上后，电流起初没有明显增加，当电压加到大于某一特定值后，电流急剧增加并限制在限流10yA处，此时器件处于低肌态（LRS)，对应转变电压称为肾位电乐V..,.通常酋次贤位电压较之后Set过程所需大，因而常称酋次^位过程为Form—操作，这一现象在许多材料体系屮都存在,这也给设计电路电压供应方面提出了
pendenceofRimandRt,“，negativetemperaturecoefficientisobservedandVariablerangehoppingconductionisfittedinR,?,测试结果显示，本文所提器件结构具有良好的耐久力和均匀的转换特件.n先，本测试采川阶梯脉冲信号，如图4所示，脉冲宽度均设为 1f_us，电压信号逐步增加，并引人Verify _阶梯增加-了一了 算法，即每个脉冲信号作用后均用小111脉冲_]|+|二丁L-JLr-J压对单元进行读操作，一旦阻态已经发脉宽 读fe号生改变，阶梯脉冲信号立即停止，由此来确定各个器件单元对应的转变电压.如图5(a)所示，Al(),/WOy器件在 I%41——nl经历1000次转换后仍能保持50倍窗口.根据我们之前实验室结果，此収层结构中起关键肌变转换功能的足AK),.层[15]，因而如此优良的耐久力源于氧空位梯度分布的八1(),层，见阁2，类似结果在P.Zhou提出的渐变氧浓度OARRAM中也观测到[气另外，低阻态和高阻态分布非常集中，80%以上的/<?,和尺,?分别分布在20k欧和1M欧左右，如图5(a)所示.Set电压和Reset电丨K的分布也扣当集巾，见阁5(b).据报道，通过在器件巾嵌人纳米晶或者构造非对称缓冲层可以在功能层屮形成纳米h丨：级的集丨丨■导电通边，从而改善RRAM阻变转换参数的均匀性l2_w’121.基于以丨：报进以及木实验结构AK),/W()V的器件特忡，图6为器件阻变转换微观机理示意图.当器件单元处于初始态（InitialResistanceState,IRS)时，氧空位在AK),中分布较为随机且分散,当外界施加一电压时,在]：下电极间无导电通道，故呈现高阻，如图6(a)所示.而当电压持续加载于IRS时，带正电的氧空位在两极间的分布形态在电场作州下发生改变，并Jli终/K晶界等缺陷态密集处形成贯穿Al(t层的导电细丝（filament),栽流子沿☆filament/l?：电场作丨HF作定
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