AlO x /WO y 阻變存儲結構的轉換特性和機理研究
發(fā)布時間：2021-01-24 22:02
通過構造AlOx/WOy雙層結構實現了阻變存儲器的均勻性、低功耗等特性,該器件阻變層中的AlOx為氧空位漸變的梯度膜,從而使得形成的導電細絲更加穩(wěn)定,在反復擦寫過程中導電細絲斷開和接上的位置基本不變,對應器件電學性能參數分布集中.采用階梯脈沖信號結合Verify算法的方法對基于0.18μm CMOS工藝的Al/AlOx/WOy/W結構的阻變存儲單元進行轉換特性、可靠性的測試,統計結果表明:器件電學性能參數Ron、Roff和sct等具有良好的均勻性,且無需高電壓的初始置位過程;復位過程中復位電流小于15μA,遠遠小于單層器件Reset電流,很好地滿足了存儲器件的低功耗要求;在小電壓長時間作用下,高低阻態(tài)仍保持不變,能有效地防止誤擦寫操作;通過高溫烘烤測試,驗證了器件的數據保持能力.同時,分析了WOy薄膜在器件高低阻態(tài)轉換過程中作為串聯電阻降低復位電流的作用.
【文章來源】：復旦學報(自然科學版). 2014,53(01)北大核心
【文章頁數】：6 頁
【部分圖文】：
Al().r/W().v雙層結構TEM截面圖
火爐巾在400°C氮氣氛_下進行600s時間的快速熱退火（RapidThermalProcess,RTP)，這一^步對于在W()v層上形成A1Q,層至關重要.通過透射電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope,丁EM)和X射線光電譜(X-myPhotoelectronSpectroscopy,XPS)來表征Al().r層，而阻變存儲器的電性特性則通過Keithley4200-SCS半導體參數儀測試.2測試結果與討論圖1為A1().VW(),雙層結構的TEM截面圖，可以看到在上電極A1和W襯底之間存在著約5nm厚的AlO,和22nm厚的W()v.對閣1巾的Al().r由表及里進行采樣并通過XPS表征得到A12p電子結合能譜，如圖2所示,其屮表層對應XPS峰值為72.85eV，對應A1原子；逐漸向里出現兩個峰共存的現象，對應峰值為72.85eV和75.75eV,后者對應鋁離子A134峰；到更里層時則只有AP1峰.從由表及里A1元素價態(tài)的變化可知該Ala層為氧含量呈梯度變化的薄膜.通過RTP退火處理，WOv巾的氧進人A1金屬層形成非化學計量比的AK).,層.Jai。A12p/‘‘ 1 1 I 1 1 606570758085圖1Al().r/W().v雙層結構TEM截面圖 圖2元素A1的XPS圖譜Fig.1TEMcross-sectionalimagesoftheAlQr/WO)device Fig.2XPSanalysisofA12p圖3(a)(見第26頁）為Aia/WO),雙層結構的阻變轉換特性曲線，是一典型的雙極型阻變轉換(bipolarswitching).測試時，電壓作用在上電極A1層，下電極W接地.所測器件單元初始態(tài)均為高阻，當施加一正電壓在上電極A1上后，電流起初沒有明顯增加，當電壓加到大于某一特定值后，電流急劇增加并限制在限流10yA處，此時器件處于低肌態(tài)（LRS)，對應轉變電壓稱為腎位電樂V..,.通常酋次賢位電壓較之后Set過程所需大，因而常稱酋次^位過程為Form—操作，這一現象在許多材料體系屮都存在,這也給設計電路電壓供應方面提出了
pendenceofRimandRt,“，negativetemperaturecoefficientisobservedandVariablerangehoppingconductionisfittedinR,?,測試結果顯示，本文所提器件結構具有良好的耐久力和均勻的轉換特件.n先，本測試采川階梯脈沖信號，如圖4所示，脈沖寬度均設為 1f_us，電壓信號逐步增加，并引人Verify _階梯增加-了一了 算法，即每個脈沖信號作用后均用小111脈沖_]|+|二丁L-JLr-J壓對單元進行讀操作，一旦阻態(tài)已經發(fā)脈寬 讀fe號生改變，階梯脈沖信號立即停止，由此來確定各個器件單元對應的轉變電壓.如圖5(a)所示，Al(),/WOy器件在 I%41——nl經歷1000次轉換后仍能保持50倍窗口.根據我們之前實驗室結果，此収層結構中起關鍵肌變轉換功能的足AK),.層[15]，因而如此優(yōu)良的耐久力源于氧空位梯度分布的八1(),層，見閣2，類似結果在P.Zhou提出的漸變氧濃度OARRAM中也觀測到[氣另外，低阻態(tài)和高阻態(tài)分布非常集中，80%以上的/<?,和尺,?分別分布在20k歐和1M歐左右，如圖5(a)所示.Set電壓和Reset電丨K的分布也扣當集巾，見閣5(b).據報道，通過在器件巾嵌人納米晶或者構造非對稱緩沖層可以在功能層屮形成納米h丨：級的集丨丨■導電通邊，從而改善RRAM阻變轉換參數的均勻性l2_w’121.基于以丨：報進以及木實驗結構AK),/W()V的器件特忡，圖6為器件阻變轉換微觀機理示意圖.當器件單元處于初始態(tài)（InitialResistanceState,IRS)時，氧空位在AK),中分布較為隨機且分散,當外界施加一電壓時,在]：下電極間無導電通道，故呈現高阻，如圖6(a)所示.而當電壓持續(xù)加載于IRS時，帶正電的氧空位在兩極間的分布形態(tài)在電場作州下發(fā)生改變，并Jli終/K晶界等缺陷態(tài)密集處形成貫穿Al(t層的導電細絲（filament),栽流子沿☆filament/l?：電場作丨HF作定
本文編號：2998009
【文章來源】：復旦學報(自然科學版). 2014,53(01)北大核心
【文章頁數】：6 頁
【部分圖文】：
Al().r/W().v雙層結構TEM截面圖
火爐巾在400°C氮氣氛_下進行600s時間的快速熱退火（RapidThermalProcess,RTP)，這一^步對于在W()v層上形成A1Q,層至關重要.通過透射電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope,丁EM)和X射線光電譜(X-myPhotoelectronSpectroscopy,XPS)來表征Al().r層，而阻變存儲器的電性特性則通過Keithley4200-SCS半導體參數儀測試.2測試結果與討論圖1為A1().VW(),雙層結構的TEM截面圖，可以看到在上電極A1和W襯底之間存在著約5nm厚的AlO,和22nm厚的W()v.對閣1巾的Al().r由表及里進行采樣并通過XPS表征得到A12p電子結合能譜，如圖2所示,其屮表層對應XPS峰值為72.85eV，對應A1原子；逐漸向里出現兩個峰共存的現象，對應峰值為72.85eV和75.75eV,后者對應鋁離子A134峰；到更里層時則只有AP1峰.從由表及里A1元素價態(tài)的變化可知該Ala層為氧含量呈梯度變化的薄膜.通過RTP退火處理，WOv巾的氧進人A1金屬層形成非化學計量比的AK).,層.Jai。A12p/‘‘ 1 1 I 1 1 606570758085圖1Al().r/W().v雙層結構TEM截面圖 圖2元素A1的XPS圖譜Fig.1TEMcross-sectionalimagesoftheAlQr/WO)device Fig.2XPSanalysisofA12p圖3(a)(見第26頁）為Aia/WO),雙層結構的阻變轉換特性曲線，是一典型的雙極型阻變轉換(bipolarswitching).測試時，電壓作用在上電極A1層，下電極W接地.所測器件單元初始態(tài)均為高阻，當施加一正電壓在上電極A1上后，電流起初沒有明顯增加，當電壓加到大于某一特定值后，電流急劇增加并限制在限流10yA處，此時器件處于低肌態(tài)（LRS)，對應轉變電壓稱為腎位電樂V..,.通常酋次賢位電壓較之后Set過程所需大，因而常稱酋次^位過程為Form—操作，這一現象在許多材料體系屮都存在,這也給設計電路電壓供應方面提出了
pendenceofRimandRt,“，negativetemperaturecoefficientisobservedandVariablerangehoppingconductionisfittedinR,?,測試結果顯示，本文所提器件結構具有良好的耐久力和均勻的轉換特件.n先，本測試采川階梯脈沖信號，如圖4所示，脈沖寬度均設為 1f_us，電壓信號逐步增加，并引人Verify _階梯增加-了一了 算法，即每個脈沖信號作用后均用小111脈沖_]|+|二丁L-JLr-J壓對單元進行讀操作，一旦阻態(tài)已經發(fā)脈寬 讀fe號生改變，階梯脈沖信號立即停止，由此來確定各個器件單元對應的轉變電壓.如圖5(a)所示，Al(),/WOy器件在 I%41——nl經歷1000次轉換后仍能保持50倍窗口.根據我們之前實驗室結果，此収層結構中起關鍵肌變轉換功能的足AK),.層[15]，因而如此優(yōu)良的耐久力源于氧空位梯度分布的八1(),層，見閣2，類似結果在P.Zhou提出的漸變氧濃度OARRAM中也觀測到[氣另外，低阻態(tài)和高阻態(tài)分布非常集中，80%以上的/<?,和尺,?分別分布在20k歐和1M歐左右，如圖5(a)所示.Set電壓和Reset電丨K的分布也扣當集巾，見閣5(b).據報道，通過在器件巾嵌人納米晶或者構造非對稱緩沖層可以在功能層屮形成納米h丨：級的集丨丨■導電通邊，從而改善RRAM阻變轉換參數的均勻性l2_w’121.基于以丨：報進以及木實驗結構AK),/W()V的器件特忡，圖6為器件阻變轉換微觀機理示意圖.當器件單元處于初始態(tài)（InitialResistanceState,IRS)時，氧空位在AK),中分布較為隨機且分散,當外界施加一電壓時,在]：下電極間無導電通道，故呈現高阻，如圖6(a)所示.而當電壓持續(xù)加載于IRS時，帶正電的氧空位在兩極間的分布形態(tài)在電場作州下發(fā)生改變，并Jli終/K晶界等缺陷態(tài)密集處形成貫穿Al(t層的導電細絲（filament),栽流子沿☆filament/l?：電場作丨HF作定
本文編號：2998009
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