GaN 襯底上Hf0.5Zr0.5O2薄膜的阻變性能與機(jī)理研究

(電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 611731)

阻變存儲(chǔ)器[1-2](Resistive Random Access Memory,RRAM)是利用材料的阻變特性進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一種非易失性存儲(chǔ)器。在外加電場(chǎng)的作用下,阻變材料的電阻值可以在不同的阻值狀態(tài)下穩(wěn)定翻轉(zhuǎn),這種現(xiàn)象就是阻變。RRAM由于具有能耗低、存儲(chǔ)密度高、操作速度快、抗疲勞特性好等優(yōu)點(diǎn),具有廣泛應(yīng)用前景,被認(rèn)為是最有可能取代Flash器件的新型非易失性存儲(chǔ)器。早期的阻變研究中,二元氧化物由于在開(kāi)關(guān)比、操作速度、疲勞特性等方面有明顯的優(yōu)勢(shì),受到研究者的廣泛關(guān)注。特別是HfOx由于有低至ns的操作速度和超高循環(huán)寫入次數(shù)[3],被認(rèn)為是未來(lái)RRAM器件中最有前景的應(yīng)用材料。

隨著研究的進(jìn)一步深入,一些鐵電相關(guān)的阻變器件也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)在[4]、PZT[5]、BiFeO3[6]、BiTeO3[7]等傳統(tǒng)鐵電材料中均觀察到了阻變現(xiàn)象。鐵電相關(guān)阻變主要有鐵電隧道結(jié)、基于鐵電薄膜的鐵電FET、鐵電薄膜相關(guān)阻變器件等不同類型。

傳統(tǒng)過(guò)渡金屬氧化物阻變存儲(chǔ)器中,阻變機(jī)理通常可以用存儲(chǔ)介質(zhì)中氧化還原反應(yīng)形成的導(dǎo)電細(xì)絲的導(dǎo)通與斷開(kāi)來(lái)解釋。在阻值發(fā)生翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中,電流(阻值)通常會(huì)存在一個(gè)明顯的突變。與此不同的是,在鐵電極化調(diào)制的阻變器件中,阻變行為的發(fā)生通常與鐵電極化有關(guān),是基于鐵電材料的本征極化特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其電流表現(xiàn)為一個(gè)逐漸變化的過(guò)程,該過(guò)程通常可以用鐵電極化對(duì)界面勢(shì)壘的調(diào)制來(lái)解釋。因此相比其他類型阻變器件,鐵電阻變器件操作速度快,抗疲勞特性、數(shù)據(jù)保持特性好。

目前對(duì)鐵電阻變材料的研究主要集中在鐵電隧道結(jié)[8]。由于鐵電材料與半導(dǎo)體材料的晶格不匹配,傳統(tǒng)鐵電薄膜材料在半導(dǎo)體材料上的生長(zhǎng)難度很大,薄膜質(zhì)量難以保障,器件的數(shù)據(jù)保持性難以提高。若想得到性能良好的鐵電阻變器件,需要采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備容易的鐵電薄膜。研究者發(fā)現(xiàn),通過(guò)對(duì)HfO2材料的摻雜,可以實(shí)現(xiàn)鐵電性。這些在Si-HfO2、Al-HfO2、HfO2-ZrO2等材料中都得到了驗(yàn)證[9-11],這類材料在Si基上生長(zhǎng)工藝簡(jiǎn)單,容易獲得良好的鐵電-半導(dǎo)體界面。本文選取HfOx和ZrOx的固溶體[12-13]Hf0.5Zr0.5O2(HZO),采用脈沖激光沉積法(PLD)在n-GaN襯底上生長(zhǎng)HZO薄膜,結(jié)合鐵電極化和電流電壓曲線對(duì)集成結(jié)構(gòu)的阻變特性進(jìn)行了研究;通過(guò)對(duì)其電流電壓曲線的擬合,對(duì)該集成結(jié)構(gòu)的鐵電極化阻變機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

采用脈沖激光沉積技術(shù)在n-GaN襯底上沉積了HZO薄膜,襯底溫度為550℃,氧分壓20 Pa。所用激光源為德國(guó)Lambda Physik公司生產(chǎn)的Complex 201型KrF準(zhǔn)分子激光器(λ=248 nm),激光能量為120 mJ,脈沖激光頻率為2 Hz。為了便于電學(xué)性能的測(cè)試,利用電子束蒸發(fā)工藝,在n-GaN襯底和HZO薄膜上分別制備了Ti/Al/Ti/Au歐姆電極和 Ni/Au點(diǎn)狀上電極,面積約為2.5×10-4cm2。采用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)HZO薄膜表面形貌進(jìn)行了表征。使用美國(guó)Radiant Technologies公司生產(chǎn)的RT2000標(biāo)準(zhǔn)鐵電測(cè)試儀對(duì)薄膜的鐵電性能進(jìn)行測(cè)試,采用Agilent 4156C型精密半導(dǎo)體分析儀測(cè)試薄膜的電流-電壓(I-V)特性曲線。

2 結(jié)果與分析

HZO阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示,其結(jié)構(gòu)包括n-GaN襯底、Ti/Al/Ti/Au層構(gòu)成的歐姆電極、HZO薄膜層、Ni/Au層構(gòu)成的上電極。圖1(b)為HZO薄膜的AFM表面形貌測(cè)試圖,從圖中可以看出晶粒大小一致,均勻飽滿,表面平整度高,薄膜結(jié)構(gòu)致密。實(shí)現(xiàn)了HZO薄膜的高質(zhì)量生長(zhǎng)。

圖1 (a)HZO阻變存儲(chǔ)器示意圖;(b)HZO薄膜AFM圖Fig.1 (a)Stacking configuration of the HZO film;(b)AFM images of HZO film

圖2 (a)為HZO薄膜在不同操作電壓下的電滯回線。從圖中可以看出,隨著操作電壓的升高,HZO薄膜剩余極化強(qiáng)度(Pr)逐漸增大。在操作電壓為5 V時(shí),HZO薄膜的剩余極化強(qiáng)度約為3×10-6C/cm2,在9 V時(shí)約為7×10-6C/cm2。表明該集成結(jié)構(gòu)具有良好的鐵電極化特性。

集成結(jié)構(gòu)在外加電場(chǎng)條件下的電流電壓特性曲線如圖2(b)所示。測(cè)試過(guò)程中樣品下電極接地,對(duì)樣品上電極施加Double模式直流掃描,即電壓由0 V開(kāi)始,掃描過(guò)程至5 V時(shí)再反向掃描至0 V。當(dāng)外加正向電壓從0 V逐漸增大,薄膜電流增大,電阻減小,HZO薄膜從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài),此過(guò)程為set過(guò)程;在從5 V到0 V掃描過(guò)程中,器件依然保持在低阻態(tài)。在低阻態(tài)時(shí)對(duì)薄膜樣品施加負(fù)偏掃描電壓,電壓逐漸升高,樣品從低阻態(tài)又變?yōu)楦咦钁B(tài),此過(guò)程為reset過(guò)程;在隨后的-5 V到0 V的過(guò)程中,電流相對(duì)較低,器件保持為高阻態(tài)。通過(guò)施加不同極性外加電壓,器件的阻值狀態(tài)可以在高低阻態(tài)間穩(wěn)定翻轉(zhuǎn),而在同極性電壓的作用下,器件阻態(tài)保持不變,表現(xiàn)出明顯的非易失性雙極性阻變特性。從圖2(b)中可以看出,HZO阻變薄膜不需要forming過(guò)程即可完成阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。由于阻變器件的forming過(guò)程往往需要較高的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn),使器件存在硬擊穿的風(fēng)險(xiǎn),因此forming-free的鐵電阻變器件通常表現(xiàn)出更良好的可靠性。

圖2 (a)HZO薄膜在不同電壓下的電滯回線;(b)操作電壓為5 V時(shí)的I-V曲線圖Fig.2 (a)P-E hysteresis loops at different operation voltages;(b)I-V hysteresis curves of HZO film with operation voltage of 5 V

為了進(jìn)一步探索鐵電阻變器件的應(yīng)用前景,對(duì)其抗疲勞特性和數(shù)據(jù)保持特性進(jìn)行了測(cè)試。抗疲勞特性是指器件在連續(xù)重復(fù)擦寫操作后開(kāi)關(guān)比仍保持穩(wěn)定的特征。測(cè)試過(guò)程中分別對(duì)器件進(jìn)行set和reset操作,隨后再用0.5 V脈沖電壓對(duì)薄膜阻值狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。圖3(a)為抗疲勞測(cè)試過(guò)程中的脈沖時(shí)序。圖3(b)為薄膜的抗疲勞特性的測(cè)試結(jié)果。從圖3(b)中可以看出,樣品的低阻態(tài)阻值在107Ω左右波動(dòng),波動(dòng)范圍較小;高阻態(tài)阻值在1011Ω左右波動(dòng),阻值分布很穩(wěn)定。高低阻態(tài)間有明顯的隔離,開(kāi)關(guān)比超過(guò)了104,80次翻轉(zhuǎn)后窗口保持同一個(gè)數(shù)量級(jí),器件仍保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)保持特性也是非易失性存儲(chǔ)器件的一個(gè)重要參數(shù),是指在斷電狀態(tài)下器件保存數(shù)據(jù)不丟失的持續(xù)時(shí)間。圖3(c)為薄膜數(shù)據(jù)保持特性的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試時(shí)同樣先對(duì)薄膜分別進(jìn)行set和reset操作,再用0.5 V脈沖電壓讀取樣品電流值隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖3(c)可以看出,對(duì)于HZO薄膜樣品,在105s內(nèi),其高低阻態(tài)的電流隨時(shí)間基本沒(méi)有變化,即高低阻態(tài)的阻值隨時(shí)間基本沒(méi)有變化,為阻變器件數(shù)據(jù)的穩(wěn)定保存提供了保障。

圖3 HZO薄膜的(a)抗疲勞測(cè)試示意圖;(b)抗疲勞特性;(c)數(shù)據(jù)保持特性Fig.3 (a)Schematic diagram of endurance test;(b)Endurance cycles of the HZO film;(c)Retention times of the structure

從圖2可知,HZO薄膜樣品阻值狀態(tài)是一個(gè)逐漸變化的過(guò)程,可以推測(cè)出其導(dǎo)電機(jī)制并非導(dǎo)電細(xì)絲型,而可能為界面調(diào)控阻變機(jī)制,由界面肖特基勢(shì)壘高度的變化調(diào)控阻值的變化。為了進(jìn)一步闡明其導(dǎo)電機(jī)制,對(duì)薄膜樣品的I-V曲線進(jìn)行肖特基方程擬合。式(1)為肖特基發(fā)射模型中電流密度隨外加電場(chǎng)的變化關(guān)系[14]。

式中:A?為理查遜常數(shù);T為溫度;φ為勢(shì)壘高度;k為波爾茲曼常數(shù);εi為材料的介電常數(shù);E為電壓值。從上式可知肖特基方程中l(wèi)nJ與E1/2保持著線性關(guān)系。對(duì)HZO薄膜樣品高阻態(tài)時(shí)的I-V曲線圖進(jìn)行肖特基擬合,其lnI∝E1/2關(guān)系曲線如圖4所示。從圖中可以看出,HZO薄膜的lnI與E1/2基本上滿足線性關(guān)系,由此可知,HZO薄膜的導(dǎo)電機(jī)制滿足肖特基發(fā)射機(jī)制。

圖4 HZO薄膜的lnI-E1/2曲線示意圖Fig.4 Schematic diagram of lnI-E1/2curve of HZO film

在HZO-GaN異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)中,高低阻態(tài)的變化由鐵電薄膜-半導(dǎo)體層界面處的極化耦合效應(yīng)決定。外加電壓調(diào)控集成結(jié)構(gòu)的極化方向及強(qiáng)度,鐵電層與半導(dǎo)體層間的耦合效應(yīng)決定該界面處載流子的耗盡或積累,使集成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的電流狀態(tài),從而使集成結(jié)構(gòu)在高阻態(tài)與低阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

通過(guò)對(duì)薄膜I-V曲線的肖特基擬合計(jì)算,得到四種不同電阻狀態(tài)下的集成結(jié)構(gòu)界面肖特基勢(shì)壘,并基于此,構(gòu)建了界面肖特基勢(shì)壘的示意圖,如圖5所示。由此可知,鐵電極化調(diào)控集成結(jié)構(gòu)界面處載流子的濃度,即為調(diào)控界面處的肖特基勢(shì)壘高度。正偏電壓范圍內(nèi),鐵電極化為負(fù)向極化時(shí),能帶向上彎曲,勢(shì)壘變高;正向極化時(shí),能帶向下彎曲,勢(shì)壘變低。

圖5 HZO薄膜I-V曲線中的勢(shì)壘示意圖Fig.5 Four different Schottky barriers in I-V curves of HZO film

3 結(jié)論

本文采用PLD技術(shù)在n-GaN襯底上制備了HZO/n-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)P-E電滯回線的測(cè)試證實(shí)該結(jié)構(gòu)具有良好的鐵電極化特性,薄膜在不同極性外加電壓的作用下,表現(xiàn)出明顯的雙極性阻變特性。該薄膜的電阻開(kāi)關(guān)特性良好,開(kāi)關(guān)比可達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,該異質(zhì)結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出良好的抗疲勞特性和保持時(shí)間特性,使其作為RRAM器件有著良好的應(yīng)用前景。將HZO薄膜的I-V曲線進(jìn)行擬合,該曲線符合肖特基發(fā)射模型,說(shuō)明該薄膜的導(dǎo)電機(jī)制為肖特基勢(shì)壘發(fā)射機(jī)制,該薄膜的阻變行為是由鐵電極化調(diào)控薄膜界面處勢(shì)壘高度的變化而導(dǎo)致的。