氧化鈦電阻存儲薄膜的電學性能研究

石 芬

（西安航空職業技術學院，陜西西安710089）

隨著半導體工藝節點的不斷推進，Flash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，Flash的其他缺點如寫入速度慢、操作電壓高等也限制了其應用，這就迫使人們尋找性能更為優越的下一代非揮發存儲器。互聯網和電子產品的高速發展，對現有信息存儲產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，迫切需要在存儲器材料和技術方面取得突破[2]。

最有可能替代Flash存儲器的新型非揮發存儲器主要有：相變存儲器、電阻存儲器、磁存儲器和鐵電存儲器。與其他非揮發存儲器相比，電阻存儲器具有操作電壓低、低功耗、高寫入速度、非破壞性讀取、保持時間長、結構簡單、與傳統CMOS（互補金屬氧化物半導體）工藝相兼容等優點。電阻存儲器所用的阻變材料有二元金屬氧化物、鈣鈦礦結構三元化合物等，其中二元金屬氧化物因它的組成結構簡單，與傳統CMOS工藝兼容性而成為電阻存儲器主流研究領域，具備存儲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量良好的氧化鈦薄膜。對氧化鈦薄膜進行電學性能測試，研究氧化鈦薄膜的電阻反轉特性和表面形貌。

1 實驗

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。

薄膜的電學性能通過半導體表征系統測試，圖1是薄膜的結構測試示意圖。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，構成典型的類似電容的三明治結構的存儲單元。測試樣品的I-Ⅴ特性曲線，方法為：將待測樣品置于探針臺，探針臺的一個探針與待測樣品底電極接觸，另一探針則與其頂電極接觸，在保證兩個探針與底頂電極接觸良好的條件下，對樣品施加偏置電壓，儀器記錄樣品的I-Ⅴ特性曲線。采用AFM測定薄膜的表面形貌。

圖1 薄膜結構測試示意圖Fig.1 Schematic structure of Pt/TiO2/SnO2 RRAM cell

2 結果與分析

2.1 氧化鈦薄膜的電學性能

圖2 是氧化鈦薄膜施加電壓15Ⅴ的I-Ⅴ特性曲線圖。當施加電壓到11.7Ⅴ時，通過薄膜的電流變大，此時器件處于低阻狀態，由圖得出此時的電阻為7.8×105歐姆；當電壓到12Ⅴ時，電流突然急劇下降接近于零，器件處于高阻態，此時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。當施加電壓到16Ⅴ時，通過薄膜的電流變大，器件處于低阻狀態，由圖得出此時的電阻為2.5×105歐姆；當電壓到17.5Ⅴ時電流突然急劇下降接近于零，器件到達高阻態，此時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。當施加電壓到8Ⅴ時，通過薄膜的電流變大，器件處于低阻狀態，由圖得出此時電阻為2×105歐姆；當電壓達到20Ⅴ時，電流突然急劇下降接近于零，器件處于高阻態，此時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。當施加電壓-2Ⅴ時，通過薄膜的電流變大，器件處于低阻狀態；由圖得出此時的電阻為6875歐姆；當電壓達-5.5Ⅴ時，電流突然急劇下降接近于零，器件處于高阻態，此時電阻值幾乎為無窮大。當電壓加到-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氧化鈦薄膜進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，很難分辨出晶粒。此現象可能會影響I-Ⅴ特性曲線的測試。未施加電壓時，薄膜色標為170.33nm，施加電壓15Ⅴ時，薄膜色標為144.43nm，施加電壓20Ⅴ時，薄膜色標為84.41nm，施加電壓30Ⅴ時，薄膜色標為864.62nm，施加電壓-30Ⅴ時，薄膜色標為750.46nm。由此得出，在施加20Ⅴ電壓之前，薄膜的色標不大，表面比較平整。但當施加電壓到達30Ⅴ時，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平面圖和三維結構圖中，都可以看到探針所留下的正方形痕跡，此時薄膜表面已有損壞。結合-30Ⅴ的I-Ⅴ特性曲線測試可知，再次證明此時的薄膜已經接近于擊穿。

3 結論

采用溶膠凝膠法制備氧化鈦薄膜，并測試其電學性能，測試結果表明，氧化鈦薄膜具有電阻反轉特性，但重復性不穩定。使用原子力顯微鏡在微觀狀態下觀察可知，隨著施加電壓的增大，表面析出物的量會增加，其影響薄膜的電學性能測試，會導致薄膜測試處的頂電極破壞使整個樣品擊穿；但表面析出物為何種物質，有待進一步研究。