氧化鉭基RRAM的循環(huán)耐受特性?xún)?yōu)化研究

劉　佩，林殷茵

(復(fù)旦大學(xué) 專(zhuān)用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201203)

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氧化鉭基RRAM的循環(huán)耐受特性?xún)?yōu)化研究

劉佩，林殷茵

(復(fù)旦大學(xué) 專(zhuān)用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201203)

阻變存儲(chǔ)器(RRAM)因其性能優(yōu)異、可高密度集成以及與CMOS工藝兼容成本較低等眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究.用于制備阻變型存儲(chǔ)器的關(guān)鍵材料有很多種，其中氧化鉭材料由于與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容而被各大研究機(jī)構(gòu)廣泛關(guān)注，但TaOx基RRAM存儲(chǔ)陣列的可靠性仍存在很大問(wèn)題，尤其是循環(huán)耐受特性.本文制備了4種具有優(yōu)秀阻變性能的雙層Ta2O5/TaOxRRAM器件，Ta2O5層厚度分別為5nm和3nm，TaOx層的x值分別為1.0和0.7.比較了這4種擁有不同器件參數(shù)的氧化鉭基RRAM器件的循環(huán)耐受性能，給出了TaOx基RRAM的循環(huán)耐受性能優(yōu)化方法，發(fā)現(xiàn)雙層TaOxRRAM的富氧Ta2O5層的厚度越薄且缺氧TaOx層的缺氧程度越大，其循環(huán)耐受性能越好.

氧化鉭； Ta2O5/TaOx； 循環(huán)耐受特性； 阻變存儲(chǔ)器

傳統(tǒng)非揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)隨著半導(dǎo)體工藝進(jìn)一步微縮化遇到了其物理極限的瓶頸，各種新型非揮發(fā)存儲(chǔ)器的研究受到廣泛關(guān)注，其中最有潛力在未來(lái)進(jìn)一步工藝微縮化進(jìn)程中替代NOR型和NAND型閃存的新型存儲(chǔ)器并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化量產(chǎn)的存儲(chǔ)器就是阻變存儲(chǔ)器(Resistive switching Random Access Memory，RRAM)[1].RRAM是否與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容及RRAM存儲(chǔ)陣列的可靠性問(wèn)題是RRAM大規(guī)模商業(yè)化的最大挑戰(zhàn).氧化鉭(TaOx)基材料由于其與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容、制備成本低而受到廣泛關(guān)注.

TaOx基RRAM的研究最先始于2008年，日本松下公司發(fā)現(xiàn)TaOx基RRAM表現(xiàn)出了阻變特性，但其各項(xiàng)電學(xué)性能表現(xiàn)并不好，高阻和低阻阻值都過(guò)低，低阻阻值在100Ω左右，高阻阻值在1kΩ左右[2]，這使得RRAM的工作功耗非常之高.在此之后，相繼有日本NEC公司、韓國(guó)三星公司、北京大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)等高?？蒲袡C(jī)構(gòu)展開(kāi)了對(duì)TaOx基RRAM的研究，總體的研究情況總結(jié)如表1所示.

表1　TaOx基RRAM全球研究情況表

該表中列舉了自2008年開(kāi)始的所有研究TaOx基RRAM的科研機(jī)構(gòu)及其TaOx基RRAM的器件信息.我們可以看出大多數(shù)科研機(jī)構(gòu)都采用的是單層TaOx基RRAM結(jié)構(gòu).日本NEC公司在2009年報(bào)道了采用Ta2O5/TiO2雙層RRAM結(jié)構(gòu)，其性能表現(xiàn)優(yōu)秀.之后三星公司在2010年報(bào)道了Ta2O5/TaOx雙層結(jié)構(gòu)RRAM.目前三星和松下兩家公司都采用的是Ta2O5/TaOx雙層結(jié)構(gòu).根據(jù)他們的研究結(jié)果我們可以看出來(lái)，雙層Ta2O5/TaOxRRAM的性能會(huì)明顯好于單層TaOxRRAM.

大多數(shù)科研機(jī)構(gòu)對(duì)TaOx基RRAM的研究都是基于實(shí)驗(yàn)室制作的少量器件的電學(xué)性能報(bào)道及阻變轉(zhuǎn)換機(jī)理研究.雙層TaOxRRAM雖然報(bào)道的性能優(yōu)秀，但要達(dá)到面向商業(yè)化生產(chǎn)的目標(biāo)，還有很多亟待解決的問(wèn)題，最主要的就是提高其可循環(huán)耐受性能問(wèn)題.本文中設(shè)計(jì)了4種具備不同器件參數(shù)的TaOx基RRAM器件，通過(guò)比較其性能，我們得出了TaOx基RRAM循環(huán)耐受性能的優(yōu)化思路： (1)富氧Ta2O5層的厚度越薄，1R器件的各種電學(xué)性能及循環(huán)耐受性能越好；(2)缺氧TaOx層x值越小即缺氧程度越大，1R器件的電學(xué)性能及循環(huán)耐受性能越好.

1　TaOx基RRAM器件設(shè)計(jì)及制備

為了研究雙層TaOx基RRAM的哪些器件參數(shù)會(huì)影響到其電學(xué)性能和循環(huán)耐受性能，擬制備的4種RRAM器件的信息如表2所示.通過(guò)比較1#和3#、2#和4#的循環(huán)耐受性能，可以研究富氧的Ta2O5層厚度對(duì)器件循環(huán)耐受性能的影響；通過(guò)比較1#和2#、3#和4#的循環(huán)耐受性能，可以研究缺氧TaOx層中氧含量對(duì)器件循環(huán)耐受性能的影響.

本文制備的以上4種器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示.從下到上的層疊結(jié)構(gòu)是： Si/SiO2/TaN/TaOx/Ta2O5/Pt.以上4種雙層結(jié)構(gòu)器件TE/Ta2O5/TaOx/BE的制備步驟如下：

(1) 在硅片上形成400nm的SiO2層，用磁控濺射方法生長(zhǎng)30nm的TaN下電極.

(2) 在其上通過(guò)濺射方法生成30nmx值不同的兩種TaOx薄膜樣品.第一種x值為1.0，第二種x值為0.7.濺射時(shí)采用金屬Ta靶，通過(guò)調(diào)節(jié)通入的Ar與O2流量比值來(lái)調(diào)節(jié)x值.

(3)通過(guò)濺射方法分別濺射3nm和5nm的Ta2O5薄膜，濺射時(shí)采用Ta2O5靶材，并通入Ar和O2.

(4)在沉積完Ta2O5薄膜的樣品上通過(guò)剝離(Lift-off)方法制備上電極，上電極為50nm Pt金屬.

表2　4種雙層Ta2O5/TaOxRRAM器件的樣品信息表

為了驗(yàn)證Ta2O5/TaOx雙層的構(gòu)建是否達(dá)到我們所設(shè)計(jì)的目標(biāo)，我們對(duì)1#和4#樣品薄膜做X射線(xiàn)光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)分析.Ta2O5層的厚度和TaOx層x值結(jié)果如圖2和圖3(見(jiàn)第30頁(yè))所示.1#樣品的XPS原子濃度隨深度分析如圖2所示.按照濺射速率為2.6nm/min進(jìn)行計(jì)算，在4.75min以前為Pt層，厚度為12.8nm；在4.75～6.75min為T(mén)a2O5層，厚度為5.4nm；在6.75～8.75min內(nèi)，Ta原子濃度增大，O原子濃度減小，大約5.4nm；在8.75～19.5min之間，Ta原子和O原子濃度趨于不變，說(shuō)明這一層是穩(wěn)定的TaOx層，平均原子濃度比例為O/Ta～0.96，厚度約為29nm.在19.5min之后，Ta原子濃度和N原子濃度急劇增大，說(shuō)明此時(shí)進(jìn)入下電極TaN層.4#樣品的XPS原子濃度隨深度分析如圖3所示.按照濺射速率為2.6nm/min進(jìn)行計(jì)算，在4.75min以前為Pt層，厚度為12.8nm；在4.75～6min為T(mén)a2O5層，厚度為3.4nm；在第6～8min內(nèi)，Ta原子濃度增大，O原子濃度減小，大約5.4nm；在第8～19min之間，Ta原子和O原子濃度趨于不變，說(shuō)明這一層是穩(wěn)定的TaOx層，平均原子濃度比例為O/Ta～0.76，厚度約為29.7nm.在19min之后，Ta原子濃度和N原子濃度急劇增大，說(shuō)明此時(shí)進(jìn)入下電極TaN層.由XPS分析結(jié)果可知，我們構(gòu)建的Ta2O5層的厚度和TaOx層x的值都與設(shè)計(jì)的器件一致.

2　雙層TaOx基RRAM器件的I-V電學(xué)性能

Pt/Ta2O5(5nm)/TaO1.0/TaN雙層器件的直流I-V特性曲線(xiàn)如圖4所示.測(cè)試采用Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀，下電極接地，上電極施加信號(hào)，如圖1所示.該樣品顯示負(fù)向SET，正向RESET.該單元器件的初始電阻為1.3GΩ，約在-2V左右SET成功，低阻阻值大約為1kΩ左右，接下來(lái)在正向電流掃描中，大約在2V左右RESET成功，高阻阻值大約為1MΩ左右，高低阻值窗口為1000倍.Pt/Ta2O5(5nm)/TaO0.7/TaNRRAM器件、Pt/Ta2O5(3nm)/TaO1.0/TaNRRAM器件、Pt/Ta2O5(3nm)/TaO0.7/TaNRRAM器件的I-V特性曲線(xiàn)與Pt/Ta2O5(3nm)/TaO1.0/TaN RRAM器件的掃描圖像相似，但SET電壓、RESET電壓有區(qū)別，高低阻值分布也有一些區(qū)別，這一區(qū)別將在脈沖測(cè)試下進(jìn)行詳細(xì)的比較和闡述.

3　雙層TaOx基RRAM器件的循環(huán)耐受性能比較及分析

我們對(duì)這四種器件的Endurance測(cè)試采用脈沖操作的寫(xiě)-驗(yàn)證算法，通過(guò)外接的MOS管進(jìn)行限流.SET電壓和RESET電壓的V_start和V_end根據(jù)每個(gè)樣品的實(shí)際情況具體設(shè)置，SET時(shí)V_step設(shè)置為0.5V，RESET時(shí)V_step設(shè)置為0.3V.SET時(shí)采用的脈沖寬度為10μs，RESET時(shí)的脈沖寬度為100μs.SET和RESET的Ref_LRS(低阻參考值)和Ref_HRS(高阻參考值)分別設(shè)置為50kΩ和500kΩ，窗口為10倍.

Pt/Ta2O5(5nm)/TaO1.0/TaN器件的循環(huán)耐受特性如圖5所示，在循環(huán)擦寫(xiě)過(guò)程中，低阻和高阻阻值分布非常集中，且Ron的值在10kΩ以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層TaOxRRAM器件的低阻值，高阻值的分布在500kΩ以上，集中在1MΩ左右.Pt/Ta2O5(5nm)/TaO0.7/TaN器件的循環(huán)耐受特性如圖6所示，低阻和高阻阻值分布非常集中，且Ron的值在50kΩ左右，高阻值的分布在500kΩ到10MΩ之間.Pt/Ta2O5(5nm)/TaO1.0/TaN器件的SET和RESET電壓分布如圖7所示，SET電壓集中分布在-3.5V左右，RESET電壓集中分布在1.0～3.0V之間.Pt/Ta2O5(5nm)/TaO0.7/TaN器件的SET和RESET電壓分布如圖8所示，SET電壓分布范圍比較大，在-5～-8V之間，RESET電壓集中分布在2.0～3.5V之間.

Pt/Ta2O5(3nm)/TaO1.0/TaN器件的循環(huán)耐受特性如圖9(見(jiàn)第32頁(yè))所示.在循環(huán)擦寫(xiě)的過(guò)程中，低阻和高阻阻值分布穩(wěn)定，Ron在10～50kΩ之間，Roff分布在500kΩ到5MΩ之間.Pt/Ta2O5(3nm)/TaO0.7/TaN器件的循環(huán)耐受特性如圖10(見(jiàn)第32頁(yè))所示，在循環(huán)擦寫(xiě)的過(guò)程中Ron和Roff阻值分布非常穩(wěn)定，Ron的值在1～5kΩ之間，有個(gè)別Ron值大于10kΩ；高阻值的分布在500kΩ到5MΩ之間.Pt/Ta2O5(3nm)/TaO1.0/TaN器件在循環(huán)過(guò)程中SET和RESET電壓分布如圖11(見(jiàn)第32頁(yè))所示，SET電壓穩(wěn)定分布在-2.0～-3.5V之間，只有個(gè)別擦寫(xiě)次數(shù)下的SET電壓增大至-4.5V左右；RESET電壓穩(wěn)定分布在1.5～3.0V之間，分布集中.Pt/Ta2O5(3nm)/TaO1.0/TaN器件的最大擦寫(xiě)次數(shù)為214次.Pt/Ta2O5(3nm)/TaO0.7/TaN器件的SET和RESET電壓在循環(huán)的過(guò)程中分布如圖12(見(jiàn)第32頁(yè))所示，SET電壓穩(wěn)定分布在-1.5～-3.0V之間，RESET電壓穩(wěn)定分布在1.5～3.5V之間，分布集中.Pt/Ta2O5(3nm)/TaO0.7/TaN器件的最大可擦寫(xiě)次數(shù)達(dá)到3×104次，且還可繼續(xù)循環(huán)擦寫(xiě).

4種Ta2O5/TaOxRRAM器件的Ron和Roff阻值分布如圖13(a)(見(jiàn)第32頁(yè))所示，4種器件的Roff分布范圍相似，且均分布集中，約在500kΩ～5MΩ之間；Ron的分布差別較大，其中Pt/Ta2O5(5nm)/TaO1.0/TaN器件、Pt/Ta2O5(5nm)/TaO0.7/TaN器件和Pt/Ta2O5(3nm)/TaO1.0/TaN器件的Ron分布相接近，大約在10～50kΩ之間，而Pt/Ta2O5(3nm)/TaO0.7/TaN器件的Ron小于前述3種器件，Ron分布在1～10kΩ之間，推測(cè)是Ta2O5層的厚度及TaOx層的氧濃度對(duì)Ron造成影響，TaOx層起到串聯(lián)電阻的作用，氧濃度越大的器件其Ron值越大，且Ta2O5層較薄時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致低阻阻值較低.4種器件的SET和RESET電壓的分布如圖13(b)所示，RESET電壓分布范圍相互接近，集中分布在2V左右.SET電壓的差別較大，Pt/Ta2O5(5nm)/TaO1.0/TaN器件和Pt/Ta2O5(5nm)/TaO0.7/TaN器件的SET電壓大于Pt/Ta2O5(3nm)/TaO1.0/TaN器件和Pt/Ta2O5(3nm)/TaO0.7/TaN器件的SET電壓，推測(cè)其原因是Ta2O5層厚度的影響，Ta2O5層越厚，SET時(shí)需要的電壓越大.

本文所設(shè)計(jì)的4種Ta2O5/TaOxRRAM器件的循環(huán)耐受性能的整體表現(xiàn)見(jiàn)表3.

表3　4種Pt/Ta2O5/TaOx/TaN器件的循環(huán)耐受性能

1) 可繼續(xù)循環(huán).

從表中我們可以看出，Ta2O5層的厚度為5nm時(shí)，初始阻值為1MΩ以上的比例最大，當(dāng)Ta2O5層的厚度為3nm時(shí)，初始態(tài)阻值為1MΩ以上的略有下降.在A(yíng)C模式下可以循環(huán)擦寫(xiě)的器件單元的比例，Pt/Ta2O5(3nm)/TaO0.7/TaN器件的比例最大，占到58.5%，且最大可循環(huán)擦寫(xiě)次數(shù)最大，達(dá)到3×104次以上，并且還沒(méi)有失效，還可繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行擦寫(xiě).其次是Pt/Ta2O5(5nm)/TaO1.0/TaN，占到37%，但最大可擦寫(xiě)次數(shù)只達(dá)到了3×103次.比較耐受性>50次的電池所占的比例，Pt/Ta2O5(3nm)/TaO0.7/TaN器件的最大，占到15.66%，其次是Pt/Ta2O5(3nm)/TaO1.0/TaN器件.

對(duì)于這4種Ta2O5/TaOxRRAM器件，可循環(huán)擦寫(xiě)單元可擦寫(xiě)次數(shù)的分布如圖14所示，結(jié)合表3和圖14所列的數(shù)據(jù)，我們可以得出：

(1) Ta2O5層的厚度會(huì)影響循環(huán)耐受性能，Ta2O5層越薄，其循環(huán)耐受性能表現(xiàn)越好；

(2) TaOx層的氧濃度影響循環(huán)耐受性能，氧濃度越小，循環(huán)耐受性能表現(xiàn)越好.

(3) Forming過(guò)程會(huì)極大影響循環(huán)耐受性能.4種Ta2O5/TaOxRRAM器件中有的表現(xiàn)出Forming-less的現(xiàn)象.測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，Pt/Ta2O5(3nm)/TaO1.0/TaN器件和Pt/Ta2O5(3nm)/TaO0.7/TaN器件在耐受性測(cè)試中，不需要Forming過(guò)程，即第一個(gè)SET電壓和隨后擦寫(xiě)過(guò)程中的電壓值無(wú)較大差別；而Pt/Ta2O5(5nm)/TaO1.0/TaN器件和Pt/Ta2O5(5nm)/TaO0.7/TaN器件在耐受性測(cè)試過(guò)程中，第一個(gè)SET電壓往往大于隨后擦寫(xiě)過(guò)程中的SET電壓.Forming-less的RRAM器件的循環(huán)耐受性能要好于需要Forming的RRAM器件性能.Forming過(guò)程需要的能量越小，形成的導(dǎo)電細(xì)絲尺寸越小，在RESET時(shí)只需要少量的氧離子與導(dǎo)電細(xì)絲中的氧空位復(fù)合就可以得到高阻，在SET時(shí)只需要少量的氧離子運(yùn)動(dòng)至TaOx層就可以形成導(dǎo)電細(xì)絲.北京大學(xué)康晉鋒的研究認(rèn)為耐受性的失效是由于氧離子數(shù)量的退化導(dǎo)致的[26]，導(dǎo)電細(xì)絲尺寸越小，氧原子退化的速度減慢.由此推測(cè)Forming過(guò)程對(duì)于器件薄膜的損傷較大，會(huì)較大程度上減小可循環(huán)擦寫(xiě)的次數(shù).

4　總　結(jié)

本文研究了TaOx基RRAM的循環(huán)耐受性能的優(yōu)化方法，制備了4種具有優(yōu)秀阻變性能的TaOx基RRAM器件，通過(guò)循環(huán)耐受性能比較我們發(fā)現(xiàn)： (1) Ta2O5層的厚度越薄，循環(huán)耐受性能越好，3nm Ta2O5的雙層器件表現(xiàn)出更好的循環(huán)耐受性能，且不需要Forming過(guò)程；(2) Ta2O5層與TaOx層的氧濃度差別越大，越有利于氧離子的可逆運(yùn)動(dòng)，循環(huán)耐受性能越好，亦即缺氧層TaOx的缺氧程度越高，循環(huán)耐受性能越好,TaOx層x值為0.7的兩種器件的循環(huán)耐受性能明顯優(yōu)于x值為1.0的兩種器件.基于此我們提出了TaOx基RRAM的循環(huán)耐受性能優(yōu)化方法： 采用雙層Ta2O5/TaOx結(jié)構(gòu)，采用較薄的Ta2O5層(3nm)和較厚的TaOx層(>50nm)，并增大富氧層和缺氧層之間的濃度差.本研究?jī)?nèi)容為半導(dǎo)體代工廠(chǎng)實(shí)際研發(fā)TaOx基RRAM提供了器件設(shè)計(jì)參數(shù)，并且該參數(shù)具有好的循環(huán)耐受性能.

[1]WASER R, DITTMANN R, STAIKOV G,etal. Redox-based resistive switching memories-nanoionic mechanisms, prospects, and challenges[J].AdvancedMaterials， 2009，21： 2632-2663.

[2]WEI Z, KANZAWA Y, ARITA K,etal. Highly reliable TaOxReRAM and direct evidence of redox reaction mechanism[C]∥IEEE International. Electron Devices Meeting, 2008. San Francisco, CA： IEEE Press, 2008： 1-4.

[3]TERAI M, KOTSUJI S, HADA H,etal. Effect of ReRAM-stack asymmetry on read disturb immunity[C]∥Reliability Physics Symposium, 2009 IEEE International. Montreal, QC： IEEE Press, 2009： 134-138.

[4]TERAI M, SAITOH M, NAGUMO T,etal. High thermal robust ReRAM with a new method for suppressing read disturb[C]∥VLSI Technology(VLSIT), 2011 Symposium on. Honolulu, HI： IEEE Press, 2011： 50-51.

[5]TERAI M, SAKOTSUBO Y, SAITO Y,etal. Effect of bottom electrode of ReRAM with Ta2O5/TiO2stack on RTN and retention[C]∥IEEE International Electron Devices Meeting, 2009. Baltimore, MD： IEEE Press, 2009： 1-4.

[6]LIN C, PRAKASH A, MAIKAP S. Novel high-κ Ta2O5resistive switching memory using IrOxmetal electrode[C]∥International Semiconductor Device Research Symposium, 2009. College Park, MD： IEEE Press, 2009： 1-2.

[7]TERAI M, SAKOTSUBO Y, KOTSUJI S,etal. Resistance controllability of Ta2O5/TiO2stack ReRAM for low-voltage and multilevel operation[J].IEEEElectronDeviceLetters, 2010, 31(3)： 204-206.

[8]TSAI Y R, LIAO K C, MAIKAP S, High-κ Ta2O5film for resistive switching memory application[C]∥10th International Conference on Ultimate Integration of Silicon, 2009. Aachen： IEEE Press, 2009： 229-232.

[9]SAKOTSUBO Y, TERAI M, KOTSUJI S,etal. A new approach for improving operating margin of unipolar ReRAM using local minimu m of reset voltage voltage[C]∥VLSI Technology(VLSIT), 2010 Symposium on. Honolulu, HI： IEEE Press, 2010： 87-88.

[10]RAHAMAN S, MAIKAP S, LIN C,etal. Low current and voltage resistive switching memory device using novel Cu/Ta2O5/W structure[C]∥VLSI Technology, Systems, and Applications, 2009. International Symposium on. Hsinchu： IEEE Press, 2009： 33-34.

[11]HUR J H, LEE M J, LEE C B,etal. Modeling for bipolar resistive memory switching in transition-metal oxides[J].PhysicalReviewB, 2010,82(15)： 155321.

[12]ZHANG L, HUANG R, ZHU M,etal. Unipolar-based resistive change memory realized with electrode engineering[J].IEEEElectronDeviceLetters, 2010,31(9)： 966-968.

[13]KIM Y B, LEE S R, LEE D,etal. Bi-layered RRAM with unlimited endurance and extremely uniform switching[C]∥VLSI Technology(VLSIT), 2011 Symposium on. Honolulu, HI： IEEE Press, 2011： 52-53.

[14]LEE C B, LEE D S, BENAYAD A,etal. Highly uniform switching of tantalum embedded amorphous oxide using self-compliance bipolar resistive switching[J].IEEEElectronDeviceLetters, 2011,32(3)： 399-401.

[15]ZHANG L J, R, GAO D J,etal. Thermally stable TaOx-based resistive memory with TiN electrode for MLC application[C]∥10th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology(ICSICT), 2010. Shanghai： IEEE Press, 2010： 1160-1162.

[16]BAEK I, PARK C, JU H,etal. Realization of vertical resistive random access memory(VRRAM) using cost effective 3D process[C]∥IEEE International Electron Devices Meeting, 2011. Washington, DC： IEEE Press, 2011： 1-4.

[17]TSURUOKA T, TERABE K, HASEGAWA T,etal. Forming and switching mechanisms of a cation-migration-based oxide resistive memory[J].Nanotechnology, 2010,21(42)： 425205.

[18]WEI Z, KANZAWA Y, ARITA K,etal. Highly reliable TaOxReRAM and direct evidence of redox reaction mechanism[C]∥IEEE International Electron Devices Meeting, 2008. San Francisco, CA： IEEE Press, 2008： 1-4.

[19]YAO L, ZHENG M, LI H,etal. High-performance humidity sensors based on high-field anodized porous alumina films[J].Nanotechnology, 2009,20(39)： 395501.

[20]WEI Z, TAKAGI T, KANZAWA Y,etal. Demonstration of high-density ReRAM ensuring 10-year retention at 85℃ based on a newly developed reliability model[C]∥IEEE International Electron Devices Meeting, 2011. Washington, DC： IEEE Press, 2011.

[21]SHRESTHA P, VERMA M, KANG Y,etal. Impact of electrolyte deposition technique on resistive Pt/Ta2O5/Cu switch performance[C]∥International Semiconductor Device Research Symposium(ISDRS), 2011. College Park, MD： IEEE Press, 2011： 1-2.

[22]KAWAHARA A, AZUMA R, IKEDA Y,etal. An 8-Mb multi-layered cross-point ReRAM macro with 443MB/s write throughput[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits, 2013,48(1)： 178-185.

[23]WU W, TONG X, ZHAO R,etal. Novel bipolar TaOx-based Resistive Random Access Memory[C]∥Non-Volatile Memory Technology Symposium(NVMTS), 2011 11th Annual. Shanghai： IEEE Press, 2011： 1-5.

[24]NINOMIYA T, WEI Z G, MURAOKA S,etal. Conductive filament scaling of TaOxbipolar ReRAM for improving data retention under low operation current[J].IEEETransactionsonElectronDevices, 2013, 60(4)： 1384-1389.

[25]BISHOP S, BAKHRU H, CAPULONG J,etal. Influence of the SET current on the resistive switching properties of tantalum oxide created by oxygen implantation[J].AppliedPhysicsLetters, 2012,100(14)： 142111.

[26]CHEN B, LU Y, GAO B,etal. Physical mechanisms of endurance degradation in TMO-RRAM[C]∥International Electron Devices Meeting, 1988. Washington, DC： IEEE Press, 2011： 1-4.

Endurance Performance Optimization Research of TaOx-Based RRAM

LIU Pei, LIN Yinyin

(State Key Laboratory of ASIC & System, Fudan University, Shanghai 201203, China)

RRAM gets intensive attention recently owing to its excellent electrical performance and its compatibility with standard CMOS technology. There are lots of resistive switching materials which are used in RRAM devices. The research about those materials which are compatible with standard CMOS technology and have low fabrication cost meets many problems. TaOx-based RRAM is compatible with standard CMOS technology and previous studies report its good electrical characteristics, but the reliability problem still remains unsolved and attracts lots of attention, especially the endurance performance. This work designed four kinds of TaOxbased RRAM devices to study the endurance performance improvement methods. We found that the thinner oxygen-rich layer and the larger deficient level of oxygen-deficient layer would contribute to good endurance performance.

TaOx; Ta2O5/TaOx; endurance improvement; RRAM

0427-7104(2016)01-0028-08

2015-05-04

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2014AA032602)

劉佩，女，碩士研究生；林殷茵，女，教授，通訊聯(lián)系人，E-mail： yylin@fudan.edu.cn.

TN 492

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