基于TiO2薄膜電阻式隨機存儲器電致阻變性質的研究

鄒利蘭

（廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東湛江，524088）

基于TiO2薄膜電阻式隨機存儲器電致阻變性質的研究

鄒利蘭

（廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東湛江，524088）

本論文采用溶膠凝膠法制備了TiO2薄膜，研究Pt/TiO2/Pt器件的電致阻變性質，并結合I-V特性曲線分析器件內部的阻變機制, 器件高低阻態(tài)的導電機制分別為肖特基發(fā)射機制和歐姆導電機制。結果表明，Pt/TiO2/Pt器件在非易失性存儲器領域具有潛在的應用。

TiO2薄膜；電致阻變；物理機制

0 引言

電阻式隨機存儲器（RRAM）是一種基于電致變阻效應的新型存儲器，與傳統(tǒng)的半導體存儲器比較而言，具有讀寫速度快、功耗低及存儲密度大等特點[1-3]。電致阻變效應是指在外加電場的作用下，器件的電阻值會在不同的組態(tài)（高阻態(tài)和低阻態(tài)）之間轉變，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取。電致阻變效應通常發(fā)生在具有金屬-絕緣體-金屬的三明治結構的器件中，涉及的電學過程主要有初始化(forming)，置位(set)和復位(reset)過程，對應的轉換電壓值分別稱為初始化電壓、置位電壓和復位電壓[1]。器在初始態(tài)時，通常具有較高的電阻值，需要一個較大的電壓值將器件初始化，對應的過程稱為初始化(forming)過程，為了防止器件發(fā)生不可反轉的硬擊穿，在初始化的過程中，通常需要加上限制電流。初始化的過程中，器件在外加電場的作用下由最初的高阻態(tài)轉化成低阻態(tài)，器件由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換的過程也可稱為置位(set)過程。相反地，在外加電場的作用下，器件由低阻態(tài)向高阻態(tài)轉換的過程稱為復位過程[1,4]。

TiO2作為一種典型的電致變阻材料，具有結構簡單、易制備及與互補性金屬氧化物半導體兼容性好的特點[5-6]。我們采用溶膠凝膠法制備了TiO2薄膜，研究了基于TiO2電致阻變器件的阻變性質，并結合材料的微觀表征及相關的物理理論知識分析TiO2薄膜的電致變阻效應的機理。

1 器件的制備

溶膠凝膠法制備二氧化鈦薄膜的具體步驟為：首先將準備好的襯底Pt放置烤臺上烘干，待冷卻后放在旋轉涂覆機的轉臺上，設置好旋轉涂覆機的參數(shù)，將準備好的前驅液滴入放置在轉臺上的襯底上，采用3000rp/min的轉速旋轉涂覆30s，然后將附有薄膜的襯底移至烤臺上，靜止5min，烤臺的溫度為300℃。重復多次，直至薄膜達到所需要的厚度。根據(jù)實驗要求，將制備好的薄膜在管式爐中進行后續(xù)退火處理。為了測試薄膜的電學性能，需要在薄膜的表面鍍上頂電極形成金屬/二氧化鈦/金屬的三明治結構，如圖3中插圖所示。利用離子濺射儀在制備好的薄膜表面濺射電極Pt，濺射之前用一塊掩膜板覆蓋在薄膜，使濺射出來的頂電極在薄膜表面均勻分布。

2 器件的結構表征

采用冷場掃描電鏡（SEM，型號為JSM-7000F）觀測薄膜的橫截面厚度和表面形貌，圖1表示襯底Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上制備的二氧化鈦薄膜的橫截面圖和表面形貌圖。從圖中可以看出，經過600℃后續(xù)退火的薄膜表面光滑平整，晶粒大小均勻，晶粒尺寸約為20-30nm，薄膜的厚度約為110nm。我們采用X射線光電子能譜（XPS，型號為ESCALab250）測試分析了薄膜的組分，圖2為Ti2p軌道的窄譜掃描圖，Ti2p軌道由峰Ti2p1/2和2p3/2兩個峰組成，峰形擬合圖確定了薄膜中Ti4+的存在，表明薄膜的組分為二氧化鈦[7]。

圖1 掃描電子顯微鏡（SEM）

圖2 Ti2p軌道的XPS測試分析曲線

3 器件阻變性質的研究

初始時，器件處于高阻態(tài)，需要一個較大的電壓使器件發(fā)生軟擊穿。初始化之后，在外加電場的作用下，器件在高低阻態(tài)之間轉換。如圖3所示，隨著正電壓的增大，電流值在1.2V左右急速增加，器件由高阻態(tài)轉換成低阻態(tài)，稱為置位過程，對應的轉變電壓為置位電壓(Vset)。接著，電壓模式轉換成2-0V，器件將保持低阻態(tài)不變。在負電壓區(qū)，隨著負電壓的增大，器件仍處于低阻態(tài)，直到一個足夠大的負向電壓將器件由低阻態(tài)轉換成高阻態(tài)，對應的過程稱為復位過程，轉變電壓稱為復位電壓(Vreset)，Pt/TiO2/ Pt器件的復位電壓約為-0.8V。

圖3 Pt/TiO2/Pt器件I-V測試曲線和基本結構圖（插圖）

為了更好地闡述Pt/TiO2/Pt器件的電致變阻性質，我們對器件的電致阻變參數(shù)進行了統(tǒng)計分析。器件在連續(xù)100次的開關循環(huán)中具有穩(wěn)定的電致變阻性質，具體的表現(xiàn)為：高低阻態(tài)的電流值穩(wěn)定(讀取電壓為0.2V)，分布集中的置位和復位電壓(置位電壓的分布范圍集中在0.8-1.8V，復位電壓的范圍集中在-0.7—-1V)，如圖4（a）和（b）。同時，為了了解器件的特性，我們測試了器件高低阻態(tài)電阻值變化情況，測試時間為0-2000s，讀取電壓為0.2V。如圖4(c)所示，器件具有較好的保持特性。

為了更清楚地了解Pt/TiO2/Pt器件中的電致阻變性質，我們分析器件內部的導電機制。采用不同的導電機制對器件的I-V曲線擬合，結果表明：高阻態(tài)時，器件的導電機制為肖特基發(fā)射機制；低阻態(tài)時，器件的導電機制為歐姆導電機制。根據(jù)肖特基發(fā)射公式]，等式的兩邊同時取對數(shù)，可得：LnI SqrtV∝ ，LnI與SqrtV之間成線性關系，圖5（a）為基于肖特基發(fā)射的I-V曲線擬合圖，高阻態(tài)電流大小與形成的肖特基勢壘高度有關[8]。低阻態(tài)時，器件內部的載流子輸運方式為歐姆機制，其表達式為：J qunE= ，可得LnI與LnV之間成線性關系，且斜率為1 ，圖5(b)為器件低阻態(tài)時歐姆導電機制的擬合圖[9]。

圖5 器件的導電機制

結合器件的I-V曲線及導電機制分析，我們采用“導電絲”模型來解釋器件的電致阻變特性。電致阻變效應源自電場作用下器件中“導電絲”的形成和斷裂，其中的“導電絲”指的是器件在電場的作用下由缺陷（主要是氧空位）形成的能讓電子自由通過的導電區(qū)域。其過程主要為：(a)初始態(tài)時，器件中的氧空位和氧離子均勻分布，器件處于高阻態(tài)；（b）器件在初始化之后，在器件中形成由氧空位構成的可供電子自由通過的“導電絲”型的導電區(qū)域，器件處于低阻態(tài)；(c)在電場或者熱效應的作用下，導電絲局域被破壞（主要在界面處），器件處于高阻態(tài)，對應的過程稱為復位過程。由于復位過程中導電絲沒有完全被破壞，此時高阻態(tài)的阻值比未初始化之前的阻值要低；(d)殘余的導電絲在電場的作用被復原，器件由低阻態(tài)回到高阻態(tài)，對應置位過程。

圖4 Pt/TiO2/Pt器件的電致阻變參數(shù)統(tǒng)計

圖6 Pt/TiO2/Pt器件電致阻變機理圖

4 總結

我們溶膠凝膠法制備了在Pt襯底上制備了TiO2薄膜，構建了Pt/TiO2/Pt器件，器件Pt/TiO2/Pt具有穩(wěn)定的電致變阻性質。同時，我們分析了器件的I-V曲線和導電機制，器件高低阻態(tài)的導電機制為肖特基發(fā)射機制和歐姆機制。結合I-V曲線和和導電機制分析，運用“導電絲”模型來解釋器件的電致阻變特性。

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Resistive switching properties of TiO2-based thin film resistance random access memory

Zou Lilan
(College of Electronics and Information Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang Guangdong, 524088)

The resistive switching properties of Pt/TiO2/Pt devices were investigated, in which the TiO2thin film was prepared by sol-gel method. Combining with analysis of I-V characteristic and fitting results, the conductive mechanism of the devices were Schottky emission mechanism in HRS and Ohmic mechanism in LRS. Our results show the potential application of the Pt/TiO2/Pt cell in non-volatile memory field.

TiO2thin film;Resistive switching; Physical mechanism