基于《TiO₂基阻變存儲器件性能》的教學(xué)實踐探索

李紅霞 鄒永應(yīng) 楊臻婷 季振國

摘要：采用直流磁控濺射法在重摻硅（n+-Si）上制備TiO2薄膜，通過電子束蒸發(fā)鍍膜儀在TiO2薄膜上沉積Au上電極，獲得Au/TiO2/n+-Si結(jié)構(gòu)的阻變存儲器件。研究了氧分壓對薄膜結(jié)晶性能及對器件電阻開關(guān)特性的影響，同時研究了器件的高低阻態(tài)電阻值及其高低阻值比隨氧分壓的變化情況。

關(guān)鍵詞：TiO2薄膜；電阻開關(guān)；氧分壓

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）24-0159-02

一、引言

現(xiàn)今，隨著電子技術(shù)與集成電路的飛速發(fā)展，對存儲器的性能也提出了更高的要求。ReRAM阻變材料大致可分為三類。其中，過渡金屬氧化物由于制備工藝簡單，制作成本相對較低，越來越多的人開始研究這類材料的電阻開關(guān)特性。在該類氧化物中，TiO2薄膜是最早作為ReRAM材料被研究的，其研究成果相對較多[1-6]。

二、試驗

采用直流磁控濺射法沉積TiO2薄膜。本實驗具體的氬氣、氧氣流量及氧分壓參數(shù)如表1所示。為了測量薄膜的電學(xué)性能，直徑為600μm的圓形Au電極在電子束蒸發(fā)鍍膜儀中通過不銹鋼掩模板沉積在TiO2薄膜上。

三、結(jié)果與討論

1.器件的電阻開關(guān)特性。圖1為氧分壓為20%的條件下制備的Au/TiO2/n+-Si器件的I-V曲線。由圖可知，Au/TiO2/n+-Si器件具有明顯的電阻開關(guān)特性，且其電阻開關(guān)特性是單極性的，即高低電阻狀態(tài)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在相同的電壓極性下。

2.氧分壓對薄膜結(jié)晶性能的影響。圖2為不同氧分壓下制備的TiO2薄膜XRD圖。由圖可知，薄膜具有擇優(yōu)生長取向。隨著氧分壓的增加，衍射峰的強度逐漸增加，說明氧含量越大，其結(jié)晶性能越好。此外，隨著氧分壓的增加，TiO2薄膜的沉積速率是不斷降低的，這也進一步說明了氧分壓高的樣品結(jié)晶性能更好。這是由于氧分壓的增大有利于減少薄膜中氧空位的數(shù)量，從而減少了薄膜中的缺陷，使得薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變好。

3.氧分壓對器件電阻開關(guān)特性的影響。在經(jīng)過Forming過程后，我們分別對氧分壓為20%、40%、60%和80%的器件的電阻開關(guān)特性進行研究，其I-V特性曲線如圖3所示。隨著氧分壓的增加，器件的reset功率是不斷降低的，我們認為是由以下兩個方面的原因共同導(dǎo)致的。

其一，薄膜厚度是隨著氧分壓的增加而降低的。而薄膜越薄，forming電壓會越小，在同樣限流電阻的條件下，相當于限流電流減小，薄膜中形成的細絲較細，因而熔斷細絲所需的能量會隨著薄膜厚度的降低而減小。其二，隨著濺射時氧分壓的增加，薄膜中的氧空位是不斷減少的，而細絲本身就是由氧空位構(gòu)成的，因此，氧空位少的薄膜在forming過程中形成的細絲更細，需要較低的能量就能熔斷細絲，即需要較小的reset功率。

但80%氧分壓下制備的器件的reset功率要比60%的大。這可能是由于隨著氧分壓的進一步增加，TiO2薄膜的結(jié)晶性能明顯變好（如圖2所示），而結(jié)晶好的薄膜需要更高的forming電壓才能使薄膜發(fā)生介質(zhì)擊穿以形成電阻轉(zhuǎn)換所需要的細絲。在同樣限流電阻的條件下，相當于限流電流增加，因此，形成的細絲較粗，這將導(dǎo)致薄膜需要更高的能量來熔斷細絲使其重新回到高阻態(tài)，即所需的reset功率較高，具體的原因還有待進一步分析。

四、結(jié)論

采用直流磁控濺射直接在n+-Si上沉積TiO2薄膜，獲得了Au/TiO2/n+-Si結(jié)構(gòu)的器件，研究了器件的電阻開關(guān)特性，并用細絲理論對其進行了解釋。

參考文獻：

[1]LIU Xin-Jun，LI Xiao-Min，et al. Journal of Inorganic Materials，2010，15（2）：151-156.

[2]Qi Liu，Ming Liu，Yan Wang，et al.Ext. Abs.The 11th International Workshop on Junction Technology，2011，（S6-1）：80-83.

[3]CAO Xun，LI Xiao-Min，YU Wei-Dong，et al. Journal of Inorganic Materials，2009，24（1）：49-52.

[4]D.Ielmini. Microelectronic Engineering，2009，86（7-9）：1870-1875.

[5]B.Chen，B.Gao，S.W.Sheng，et al. IEEE Electron Device Letters，2011，（32）：282-284.S.

[6]Mario Lanza. Materials，2014，（7）：2155-2182.