新型过渡金属氧化物基电阻存储器的制备及机理研究

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　　摘 要：半导体存储器成为现代科技不可或缺的重要部分，并扮演着越来越重要的角色。在二元金属氧化物薄膜电阻转换效应过程中，器件使用性能方面仍不能满足实际应用的要求，器件的稳定性仍亟待提高。
　　关键词：金属氧化物;电阻存储器;导电机理
　　在当今这个信息化社会中，半导体存储器成为现代科技不可或缺的重要部分。目前，闪存作为主流的非易失性存储器，占据非易失性存储器90%以上的市场份额。但是，闪存也存在一定的不足，其操作电压较高，擦写速度较慢，擦写寿命仅为105～106次，这使其不能满足未来信息的大容量和高速存储的需要。现在，传统闪存技术发展遇到瓶颈，没有一个受认可的方案能解决这一问题，基于目前世界市场对非易失性随机存储器的巨大需求，研究和开发新型的非易失性存储器是十分有意义的。
　　一、研究现状
　　阻变存储器的结构十分简单，是基于MIM的三明治结构，其中M为金属或者导电能力很好的非金属电极，I为电阻转变层，其中包括：二元金属氧化物、钙钛矿氧化物、硫系化合物和有机物等。在这些材料之中，二元金属氧化物（如TiO2、NiO及ZnO等）由于材料组分可控，制备方法简單，与硅集成电路工艺相兼容等特点被认为是一类有望应用于阻变存储器的材料，也是目前研究最多的一类材料。国内多家科研院所及高校也在基于二元金属氧化物的RRAM研究领域开展了大量的工作。
　　在二元金属氧化物薄膜电阻转换效应过程中，导电细丝理论是目前为多数科研人员所接受的说法，该理论也被导电原子力显微镜及高分辨透射电镜等先进测试设备所证实。导电细丝的原理主要是：当电路导通时，薄膜内部会产生多条传导路径，使得流通的电流变大，此时薄膜器件处于一种开启状态;当导电通路断裂后，通过薄膜的电流变小，此时薄膜器件处于一种关闭状态。通常情况下，二元金属氧化物薄膜的初始状态为高阻态，需要一个较大的forming电压来激活器件。forming过程类似于MOSFET中栅介质薄膜的软击穿，会在氧化物薄膜中产生一些缺陷。在强电场的作用下，这些缺陷会在氧化物薄膜中迁移、渗透并形成一些由缺陷组成的连接上下电极的局域性导电通道。这时，器件由高阻态转变为低阻态。需要注意的是，在forming过程中需要设置一个较小的限制电流来防止氧化物薄膜被永久性的击穿。随后，重新对器件进行扫描，这时由于薄膜中的电流主要通过局域性的导电通道进行传输，将产生大量的焦耳热，导致导电通道断裂，使得器件重新回到高阻状态。当再加一个限流的电压进行扫描时，熔断的细丝将在电场作用下重新连接，使得器件重新由高阻态编程到低阻态。
　　二、导电机理
　　对于采用二元金属氧化物薄膜为阻变材料的阻变存储来说，其电阻转变现象主要是由于在电激励的作用下薄膜中生成了多条导电细丝引起的。导电细丝可能是由电极产生的金属离子或者氧化物本身生成的氧空位组成，但不论是哪种情况，导电细丝的生长过程都是随机的，每一次开关循环中导电细丝的生长位置是变化的。因此，很难控制导电细丝的形成和断裂过程，这就造成了阻变存储器件转变参数的离散性较大，可擦写次数较低，器件稳定性较差。导电细丝生长和断裂的随机性是影响器件存储性能的主要因素。为了解决这一问题，国际上大部分研究小组都通过优化器件的材料体系来改善二元金属氧化物基RRAM器件转变参数的均匀性。如Myoung-Jae Lee等人通过优化NiO电阻转变层的晶格结构来改善RRAM器件的电阻转变特性;刘琦等人对含有Cu纳米晶层的ZrO2薄膜材料的原型器件的阻变性能进行了系统研究，结果表明，这种结构对阻变参数的离散性具有明显的改善效果。通过优化器件的材料体系，上述研究对二元金属氧化物基阻变存储器性能的稳定性都有一定程度的改进，但在器件使用性能方面仍不能满足实际应用的要求，器件的稳定性仍亟待提高。
　　参考文献：
　　[1]徐晓阳.过渡金属氧化物基电极材料的制备及其电容性能研究[D].天津：天津大学，2017.
　　[2]庄君霞.过渡金属氧化物电极材料的制备及其超级电容性能的研究[D].兰州：兰州理工大学，2014.
　　作者简介：杨成彪（1996—），男，河北衡水人，学生。
　　通信作者：李红霞（1978—），女，副教授，大学教师。
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