基于《TiO₂基阻變存儲器件性能》的教學實踐探索

李紅霞 鄒永應 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，通過電子束蒸發鍍膜儀在TiO2薄膜上沉積Au上電極，獲得Au/TiO2/n+-Si結構的阻變存儲器件。研究了氧分壓對薄膜結晶性能及對器件電阻開關特性的影響，同時研究了器件的高低阻態電阻值及其高低阻值比隨氧分壓的變化情況。

關鍵詞：TiO2薄膜；電阻開關；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

現今，隨著電子技術與集成電路的飛速發展，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如表1所示。為了測量薄膜的電學性能，直徑為600μm的圓形Au電極在電子束蒸發鍍膜儀中通過不銹鋼掩模板沉積在TiO2薄膜上。

三、結果與討論

1.器件的電阻開關特性。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特性，且其電阻開關特性是單極性的，即高低電阻狀態的轉換發生在相同的電壓極性下。

2.氧分壓對薄膜結晶性能的影響。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量，從而減少了薄膜中的缺陷，使得薄膜的結晶質量變好。

3.氧分壓對器件電阻開關特性的影響。在經過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薄膜的結晶性能明顯變好（如圖2所示），而結晶好的薄膜需要更高的forming電壓才能使薄膜發生介質擊穿以形成電阻轉換所需要的細絲。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，這將導致薄膜需要更高的能量來熔斷細絲使其重新回到高阻態，即所需的reset功率較高，具體的原因還有待進一步分析。

四、結論

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結構的器件，研究了器件的電阻開關特性，并用細絲理論對其進行了解釋。

參考文獻：

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