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氧化鉭/氧化鋁薄膜的阻變特性和突觸特性

2020-07-20 04:47宮澤弘周海芳賴云鋒
關(guān)鍵詞:單層存儲器導電

宮澤弘,周海芳,賴云鋒

(福州大學物理與信息工程學院,福建福州 350108)

0 引言

目前,以閃存為代表的傳統(tǒng)存儲器正面臨物理極限.阻變存儲器(resistive random access memory,RRAM)因其結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、擦寫速度快等特點[1-2],成為下一代非易失性存儲器(nonvolatile memory,NVM)的有力候選者[3-6].在眾多阻變材料中,氧化鉭由于具有優(yōu)良的電阻開關(guān)特性和與CMOS工藝良好的兼容性[7-9],而被廣泛研究.作為新興存儲器,阻變存儲器仍存在阻變隨機性較大且器件內(nèi)部運行原理不明確的問題[10-11],這嚴重阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用.因此,探究器件內(nèi)部的導電機制[12-13],增加器件的穩(wěn)定性、均一性已成為研究的焦點[14-16].與此同時,傳統(tǒng)計算機存在著CPU和存儲器間數(shù)據(jù)傳輸帶寬受限的瓶頸問題,類腦計算被認為是可能的解決方案[17-18].利用阻變存儲器電阻狀態(tài)可調(diào)的特點,形成電阻漸變的阻態(tài)間切換模式,有利于獲得類腦計算所需要的關(guān)鍵器件——電子突觸.因此,降低阻變存儲器的功耗,并用其模擬突觸行為是目前研究的熱點.

本研究中TaOx/AlOx雙介質(zhì)層器件的阻變行為表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、可靠的擦寫和保持能力,且器件具有較低功耗的同時還具有一定的突觸仿生行為.

1 實驗環(huán)節(jié)

采用玻璃基底并在其上沉積180 nm厚的氧化銦錫(indium tin oxides,ITO)作為底電極.隨后,在Ar2環(huán)境下,使用氧化鉭陶瓷靶,通過射頻磁控濺射,沉積30 nm厚的TaOx透明薄膜,作為阻變存儲器的介質(zhì)層.接著,在同樣的腔室內(nèi)采用反應(yīng)濺射的方式,制備20 nm厚的氧化鋁薄膜,作為插入層調(diào)節(jié)器件的性能.最終,采用光刻工藝、直流磁控濺射及標準剝離方法,確定圓形電極位置并制備出直徑為70 μm、厚度為200 nm的Ti頂電極.經(jīng)過上述工藝流程制備出氧化鉭基雙層器件的結(jié)構(gòu)為ITO/TaOx/AlOx/Ti,器件中薄膜的制備參數(shù)如表1所示.為明確AlOx薄膜對器件的影響,使用同樣工藝制備了單層氧化鉭對比器件.

采用KEITHLEY-4200對器件進行電學性能測量.測量過程ITO底電極接地,向Ti頂電極施加不同的電學信號以研究器件狀態(tài)的變化.

2 結(jié)果與分析

單層器件連續(xù)多次的I-V曲線如圖1(a)所示.Forming過程后,對器件施加-3.2至3.2 V的循環(huán)掃描電壓,使器件在高阻態(tài)(HRS)與低阻態(tài)(LRS)之間穩(wěn)定切換.器件的高/低阻態(tài)電阻比值約為30,Set電壓為-2.4 V,Reset電壓為2.5 V.由于器件切換時有較大的操作電流(>10 mA),導致其轉(zhuǎn)變功耗超過20 mW,這不利于器件的大規(guī)模集成.為了解單層氧化鉭基器件的運行機理,對器件的I-V曲線進行擬合分析.取圖1(a)中Set部分的電流與電壓,繪制成對數(shù)曲線圖,如圖1(b)所示.器件處于高阻態(tài)時,電流與電壓的擬合曲線分為三個區(qū)域:0~0.7 V呈線性關(guān)系,0.7~1.1 V近似平方關(guān)系,大于1.1 V時呈多次方關(guān)系,這符合空間電荷限制(SCLC)電流傳導機制[19].器件處于低阻態(tài)時,電流與電壓保持線性關(guān)系,說明單層氧化鉭器件在低阻態(tài)時為導電細絲主導的歐姆導電機制[19-20].

單層器件高/低阻態(tài)的電阻比較低(約30倍),且切換時功耗較大,這不利于器件的集成.可以考慮在氧化鉭之上疊加一層介質(zhì)膜,希望通過界面勢壘調(diào)節(jié)器件的電流,實現(xiàn)功耗的調(diào)整.因此,嘗試對TaOx/AlOx雙層介質(zhì)的性能進行研究.TaOx/AlOx雙介質(zhì)層器件的I-V曲線如圖2(a)所示.相比于圖1(a)中的單層器件,雙介質(zhì)層器件有較小的切換電壓、小于100 μA的切換電流與接近104的高低態(tài)電阻比.其中,引入氧化鋁薄膜確實使器件電流降低了3個數(shù)量級,令功耗顯著減小(Set過程僅為8 μW,Reset過程為78 μW).向器件施加正壓時的I-V擬合曲線如圖2(b)所示.對數(shù)坐標下,低阻狀態(tài)的電流與電壓先呈現(xiàn)出線性關(guān)系,并隨電壓的增加逐漸接近平方關(guān)系,符合SCLC傳導機制.但是,器件處于高電阻狀態(tài)時ln(I)-V0.5符合線性關(guān)系,說明雙層器件在高阻態(tài)時由肖特基發(fā)射機制主導.

為深入理解器件的運行原理,結(jié)合圖1、圖2中的I-V曲線及擬合結(jié)果,提出器件的電荷輸運模型,如圖3所示.其中綠色區(qū)域與紫色區(qū)域分別代表氧化鉭與氧化鋁材料,白色圓點代表介質(zhì)層中的氧空位.單層TaOx器件進行切換前,需要對器件施加大電壓,形成強電場,完成Forming過程.接著依次施加Reset、Set電壓,使器件完成反復切換.圖3(a)中,左側(cè)為單層器件處于高阻態(tài)時內(nèi)部導電機制示意圖,器件經(jīng)歷Forming過程與多次Set過程后,TaOx介質(zhì)層中會存在大量缺陷.向器件施加低電壓時,注入到器件中的少量自由電子優(yōu)先被介質(zhì)層中的陷阱捕獲.電壓增加時,部分陷阱被電子填充,可以自由移動的電子增多,電流變大.當外加電壓接近并逐漸到達Set電壓時,電子將器件內(nèi)部陷阱完全填充,注入電子將不受陷阱影響成為自由電子,器件電流急劇增大.另外,較大的電場會促進介質(zhì)層中的氧空位移動,急劇增長的電流也有利于導電細絲的形成.因此,向器件施加的電壓達到并超過Set電壓時,會形成連通頂電極與底電極的導電細絲,如圖3(a)中右圖所示.此時,注入電子將不受介質(zhì)層中陷阱的影響,可沿導電細絲傳導.器件由SCLC機制變?yōu)闅W姆導電機制,器件轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài).

圖3 兩種阻變器件電子輸運模型Fig.3 Electron conduction model of two kinds of RRAM

圖3 (b)為雙層器件內(nèi)部導電機制模型.開始切換前同樣需要Forming過程對介質(zhì)層進行軟擊穿,再向頂電極施加掃描電壓完成高低阻態(tài)間的循環(huán).圖3(b)中左側(cè)為Set過程發(fā)生前的階段,器件處于高阻態(tài).綜合圖2(a)中擬合曲線及TaOx與AlOx兩種材料的性質(zhì),對該階段器件的導電機理進行分析.首先,氧化鋁的介電常數(shù)較大且絕緣性較好,這有利于它作為氧化鉭的串聯(lián)電阻抑制器件電流;其次,兩種材料的能帶存在差異(如圖3(b)左下能帶示意圖),這導致TaOx/AlOx界面處存在勢壘[21],有利于器件電流的降低.因此,也能觀察到高阻態(tài)下肖特基發(fā)射主導的導電機制.低阻態(tài)時,器件主要受介質(zhì)層中存在的大量缺陷影響.此時,電子優(yōu)先被介質(zhì)層中的陷阱俘獲,電流與電壓呈線性關(guān)系.隨電壓升高,有更多的電子注入,陷阱逐漸被填充完畢,電流增長迅速,電流與電壓的平方成正比,表現(xiàn)出SCLC傳導機制.

因此,氧化鋁薄膜的引入,有效調(diào)整了器件內(nèi)部的傳導機制,可成功獲得了接近104倍的高低態(tài)電阻比值.同時,引入的界面勢壘和氧化鋁的體電阻有效降低了操作電流,減小了器件功耗.

存儲設(shè)備不但要求器件有大的開關(guān)電阻比、較低的功耗,還要有穩(wěn)定的性能.為研究雙層器件阻變性能的穩(wěn)定性與均勻性,統(tǒng)計出器件雙穩(wěn)態(tài)電阻的阻值分布圖及Set與Reset電壓的分布直方圖.雙介質(zhì)層器件連續(xù)50次切換的電阻值分布,如圖4(a)所示.LRS與HRS的阻值分布緊密且保持在較小的區(qū)間內(nèi)變化,表現(xiàn)出有良好的重復性與均勻性.對雙層器件連續(xù)50次Set、Reset過程的開啟電壓進行統(tǒng)計,如圖4(b)所示.Reset電壓主要分布在-1.2至-1.8 V間,Set電壓具有非常好的可再現(xiàn)性,集中在0.4至0.5 V間.當器件作為存儲單元進行集成時,良好的穩(wěn)定性與均勻性有助于提高設(shè)備的可靠性,增加了器件的應(yīng)用價值.

圖4 AlOx/TaOx阻變器件電阻值分布圖及電壓分布直方圖Fig.4 Resistance discrete distribution and voltage histogram of an AlOx/TaOxRRAM

保持能力與擦寫能力一直是評估存儲器件性能的基本要素.器件在直流掃描下經(jīng)歷100次循環(huán)統(tǒng)計出的擦寫數(shù)據(jù)如圖5(a)所示.器件可以在高低阻態(tài)間準確切換且在多次循環(huán)中沒有切換失敗現(xiàn)象或高/低阻態(tài)比減小的趨勢,這說明器件有良好的寫入和擦除功能.為測量器件的數(shù)據(jù)保持能力,在器件處于HRS和LRS時,對頂電極施加0.2 V的讀取電壓并測量流過器件的電流,評估器件的電阻變化,如圖5(b)所示.經(jīng)測試器件電阻狀態(tài)可以保持至少104s.

圖5 AlOx/TaOx阻變器件耐擦寫及保持特性Fig.5 Endurance and retention characteristics of AlOx/TaOxdevices

由于器件高低態(tài)間的電阻差異較大,使用它作為電子突觸時可以在更大范圍內(nèi)模擬突觸權(quán)值的變化.圖6(a)中對器件連續(xù)施加幅度為3.8 V、頻率為500 Hz的正向三角脈沖.結(jié)果顯示,響應(yīng)電流隨脈沖個數(shù)的增加而逐漸上升,這意味著每個三角脈沖都改變了器件的電阻狀態(tài)并相互疊加,使器件出現(xiàn)了Set方向的電阻漸變.生物學習中也有與之相似的例子,大腦經(jīng)過反復學習后,記憶會逐漸加深,對知識的掌握程度逐漸提高,對應(yīng)于器件經(jīng)過一次次脈沖刺激后器件電阻不斷下降的過程.圖6(b)中對器件連續(xù)施加反向三角脈沖,幅度為-4.8 V、頻率為500 Hz,同樣可觀察到響應(yīng)電流的絕對值逐漸減小.結(jié)合圖6(a)可以得出,連續(xù)的三角脈沖可以調(diào)制器件的電阻狀態(tài),這是器件能進一步模擬其他突觸性能的關(guān)鍵.因為神經(jīng)細胞接受刺激時突觸權(quán)值會產(chǎn)生不同程度的變化,這要求器件可以根據(jù)所施加的脈沖信號,靈活調(diào)整其電阻狀態(tài)來表征突觸的權(quán)值變化.脈沖個數(shù)相同時,脈沖頻率可調(diào)節(jié)向器件施加電壓的時間,脈沖幅度可影響器件電阻的變化區(qū)域.適當調(diào)整三角脈沖可獲得處于不同區(qū)間,變化幅度不同的響應(yīng)電流.器件在圖6中的表現(xiàn)證明了其具有應(yīng)用于神經(jīng)突觸模擬方面的可能性.

圖6 AlOx/TaOx阻變器件響應(yīng)電流隨三角脈沖的變化Fig.6 The AlOx/TaOxdevice response current varies with the triangular pulse

3 結(jié)語

通過微電子加工工藝,制備了具有ITO/TaOx/AlOx/Ti結(jié)構(gòu)的阻變存儲器.相比于單層氧化鉭基的存儲器,雙介質(zhì)層存儲器的阻變參數(shù)具有良好的穩(wěn)定性與均一性.氧化鋁薄膜的引入改變了器件的阻變機制、增加了器件的體電阻,由此獲得了接近104倍的高/低阻態(tài)電阻比并有效降低了器件運行所需功耗.此外,用器件電阻表征突觸的權(quán)值變化能夠模擬生物學習過程,該器件具備成為電子突觸的可能性.

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