氧化鈦電阻存儲(chǔ)薄膜的電學(xué)性能研究

石 芬

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089）

隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的不斷推進(jìn)，F(xiàn)lash遇到了越來越多的瓶頸問題，如浮柵厚度不能隨器件尺寸的減小而無限制減薄[1]。此外，F(xiàn)lash的其他缺點(diǎn)如寫入速度慢、操作電壓高等也限制了其應(yīng)用，這就迫使人們尋找性能更為優(yōu)越的下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)器?；ヂ?lián)網(wǎng)和電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有信息存儲(chǔ)產(chǎn)品的性能提出了高速度、高密度、長壽命、低成本和低功耗等更高要求，迫切需要在存儲(chǔ)器材料和技術(shù)方面取得突破[2]。

最有可能替代Flash存儲(chǔ)器的新型非揮發(fā)存儲(chǔ)器主要有：相變存儲(chǔ)器、電阻存儲(chǔ)器、磁存儲(chǔ)器和鐵電存儲(chǔ)器。與其他非揮發(fā)存儲(chǔ)器相比，電阻存儲(chǔ)器具有操作電壓低、低功耗、高寫入速度、非破壞性讀取、保持時(shí)間長、結(jié)構(gòu)簡單、與傳統(tǒng)CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)。電阻存儲(chǔ)器所用的阻變材料有二元金屬氧化物、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)三元化合物等，其中二元金屬氧化物因它的組成結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容性而成為電阻存儲(chǔ)器主流研究領(lǐng)域，具備存儲(chǔ)特性的二元金屬氧化物種類有很多，如A12O3、TiO2[3]等。

本文通過溶膠-凝膠法在硅基板上采用浸漬提拉法制備出表面質(zhì)量良好的氧化鈦薄膜。對(duì)氧化鈦薄膜進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，研究氧化鈦薄膜的電阻反轉(zhuǎn)特性和表面形貌。

1 實(shí)驗(yàn)

將一定量的鈦酸丁酯在磁力攪拌器作用下充分溶解在乙二醇甲醚中，隨后加入苯酰丙酮繼續(xù)攪拌直到澄清，靜置24h待用。在硅基板上采用浸漬提拉法制備氧化鈦凝膠膜。

薄膜的電學(xué)性能通過半導(dǎo)體表征系統(tǒng)測(cè)試，圖1是薄膜的結(jié)構(gòu)測(cè)試示意圖。在硅基板上通過超聲噴霧法制備底電極，而通過離子濺射法制備頂電極，構(gòu)成典型的類似電容的三明治結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元。測(cè)試樣品的I-Ⅴ特性曲線，方法為：將待測(cè)樣品置于探針臺(tái)，探針臺(tái)的一個(gè)探針與待測(cè)樣品底電極接觸，另一探針則與其頂電極接觸，在保證兩個(gè)探針與底頂電極接觸良好的條件下，對(duì)樣品施加偏置電壓，儀器記錄樣品的I-Ⅴ特性曲線。采用AFM測(cè)定薄膜的表面形貌。

圖1 薄膜結(jié)構(gòu)測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic structure of Pt/TiO2/SnO2 RRAM cell

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化鈦薄膜的電學(xué)性能

圖2 是氧化鈦薄膜施加電壓15Ⅴ的I-Ⅴ特性曲線圖。當(dāng)施加電壓到11.7Ⅴ時(shí)，通過薄膜的電流變大，此時(shí)器件處于低阻狀態(tài)，由圖得出此時(shí)的電阻為7.8×105歐姆；當(dāng)電壓到12Ⅴ時(shí)，電流突然急劇下降接近于零，器件處于高阻態(tài)，此時(shí)電阻值幾乎為無窮大。

圖2 氧化鈦薄膜施加電壓15V的I-V特性曲線圖Fig. 2 Typical I-V curve of thin films of TiO2

圖3 是氧化鈦薄膜施加電壓20Ⅴ的I-Ⅴ特性曲線圖。當(dāng)施加電壓到16Ⅴ時(shí)，通過薄膜的電流變大，器件處于低阻狀態(tài)，由圖得出此時(shí)的電阻為2.5×105歐姆；當(dāng)電壓到17.5Ⅴ時(shí)電流突然急劇下降接近于零，器件到達(dá)高阻態(tài)，此時(shí)電阻值幾乎為無窮大。

圖3 氧化鈦薄膜施加電壓20V的I-V特性曲線圖Fig.3 Typical I-V curve of thin films of TiO2

圖4 是氧化鈦薄膜施加電壓30Ⅴ的I-Ⅴ特性曲線圖。當(dāng)施加電壓到8Ⅴ時(shí)，通過薄膜的電流變大，器件處于低阻狀態(tài)，由圖得出此時(shí)電阻為2×105歐姆；當(dāng)電壓達(dá)到20Ⅴ時(shí)，電流突然急劇下降接近于零，器件處于高阻態(tài)，此時(shí)電阻值幾乎為無窮大。

圖4 氧化鈦薄膜施加電壓30V的I-V特性曲線圖Fig.4 Typical I-V curve of thin films of TiO2

圖5 是氧化鈦薄膜施加電壓-30Ⅴ的I-Ⅴ特性曲線圖。當(dāng)施加電壓-2Ⅴ時(shí)，通過薄膜的電流變大，器件處于低阻狀態(tài)；由圖得出此時(shí)的電阻為6875歐姆；當(dāng)電壓達(dá)-5.5Ⅴ時(shí)，電流突然急劇下降接近于零，器件處于高阻態(tài)，此時(shí)電阻值幾乎為無窮大。當(dāng)電壓加到-25Ⅴ以后，電流多次增大、變化。

圖5 氧化鈦薄膜施加電壓-30V的I-V特性曲線圖Fig.5 Typical I-V curve of thin films of TiO2

2.2 氧化鈦薄膜形貌分析

本文利用原子力顯微鏡對(duì)氧化鈦薄膜進(jìn)行微觀表面形貌觀察，圖6是氧化鈦薄膜施加電壓為0、15、20、30、-30 Ⅴ的表面形貌。前三者的薄膜掃描范圍為10000nm×10000nm。后兩者的掃描范圍為100000nm×100000nm。

圖6 氧化鈦薄膜施加不同電壓時(shí)的表面形貌Fig.6 AFM images of TiO2 films at different voltage

由圖6看出，未施加電壓（0Ⅴ）時(shí)晶粒清晰可見，有少許析出物。隨著電壓的不斷增加，晶粒變模糊，析出物越來越多。施加電壓到20Ⅴ時(shí)，很難分辨出晶粒。此現(xiàn)象可能會(huì)影響I-Ⅴ特性曲線的測(cè)試。未施加電壓時(shí)，薄膜色標(biāo)為170.33nm，施加電壓15Ⅴ時(shí)，薄膜色標(biāo)為144.43nm，施加電壓20Ⅴ時(shí)，薄膜色標(biāo)為84.41nm，施加電壓30Ⅴ時(shí)，薄膜色標(biāo)為864.62nm，施加電壓-30Ⅴ時(shí)，薄膜色標(biāo)為750.46nm。由此得出，在施加20Ⅴ電壓之前，薄膜的色標(biāo)不大，表面比較平整。但當(dāng)施加電壓到達(dá)30Ⅴ時(shí)，薄膜的表面由于析出物過多而不再平整。在施加-30Ⅴ電壓的AFM平面圖和三維結(jié)構(gòu)圖中，都可以看到探針?biāo)粝碌恼叫魏圹E，此時(shí)薄膜表面已有損壞。結(jié)合-30Ⅴ的I-Ⅴ特性曲線測(cè)試可知，再次證明此時(shí)的薄膜已經(jīng)接近于擊穿。

3 結(jié)論

采用溶膠凝膠法制備氧化鈦薄膜，并測(cè)試其電學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果表明，氧化鈦薄膜具有電阻反轉(zhuǎn)特性，但重復(fù)性不穩(wěn)定。使用原子力顯微鏡在微觀狀態(tài)下觀察可知，隨著施加電壓的增大，表面析出物的量會(huì)增加，其影響薄膜的電學(xué)性能測(cè)試，會(huì)導(dǎo)致薄膜測(cè)試處的頂電極破壞使整個(gè)樣品擊穿；但表面析出物為何種物質(zhì)，有待進(jìn)一步研究。