基于《TiO₂基阻变存储器件性能》的教学实践探索

李红霞 邹永应 杨臻婷 季振国

摘要：采用直流磁控溅射法在重掺硅（n+-Si）上制备TiO2薄膜，通过电子束蒸发镀膜仪在TiO2薄膜上沉积Au上电极，获得Au/TiO2/n+-Si结构的阻变存储器件。研究了氧分压对薄膜结晶性能及对器件电阻开关特性的影响，同时研究了器件的高低阻态电阻值及其高低阻值比随氧分压的变化情况。

关键词：TiO2薄膜；电阻开关；氧分压

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）24-0159-02

一、引言

现今，随着电子技术与集成电路的飞速发展，对存储器的性能也提出了更高的要求。ReRAM阻变材料大致可分为三类。其中，过渡金属氧化物由于制备工艺简单，制作成本相对较低，越来越多的人开始研究这类材料的电阻开关特性。在该类氧化物中，TiO2薄膜是最早作为ReRAM材料被研究的，其研究成果相对较多[1-6]。

二、试验

采用直流磁控溅射法沉积TiO2薄膜。本实验具体的氩气、氧气流量及氧分压参数如表1所示。为了测量薄膜的电学性能，直径为600μm的圆形Au电极在电子束蒸发镀膜仪中通过不锈钢掩模板沉积在TiO2薄膜上。

三、结果与讨论

1.器件的电阻开关特性。图1为氧分压为20%的条件下制备的Au/TiO2/n+-Si器件的I-V曲线。由图可知，Au/TiO2/n+-Si器件具有明显的电阻开关特性，且其电阻开关特性是单极性的，即高低电阻状态的转换发生在相同的电压极性下。

2.氧分压对薄膜结晶性能的影响。图2为不同氧分压下制备的TiO2薄膜XRD图。由图可知，薄膜具有择优生长取向。随着氧分压的增加，衍射峰的强度逐渐增加，说明氧含量越大，其结晶性能越好。此外，随着氧分压的增加，TiO2薄膜的沉积速率是不断降低的，这也进一步说明了氧分压高的样品结晶性能更好。这是由于氧分压的增大有利于减少薄膜中氧空位的数量，从而减少了薄膜中的缺陷，使得薄膜的结晶质量变好。

3.氧分压对器件电阻开关特性的影响。在经过Forming过程后，我们分别对氧分压为20%、40%、60%和80%的器件的电阻开关特性进行研究，其I-V特性曲线如图3所示。随着氧分压的增加，器件的reset功率是不断降低的，我们认为是由以下两个方面的原因共同导致的。

其一，薄膜厚度是随着氧分压的增加而降低的。而薄膜越薄，forming电压会越小，在同样限流电阻的条件下，相当于限流电流减小，薄膜中形成的细丝较细，因而熔断细丝所需的能量会随着薄膜厚度的降低而减小。其二，随着溅射时氧分压的增加，薄膜中的氧空位是不断减少的，而细丝本身就是由氧空位构成的，因此，氧空位少的薄膜在forming过程中形成的细丝更细，需要较低的能量就能熔断细丝，即需要较小的reset功率。

但80%氧分压下制备的器件的reset功率要比60%的大。这可能是由于随着氧分压的进一步增加，TiO2薄膜的结晶性能明显变好（如图2所示），而结晶好的薄膜需要更高的forming电压才能使薄膜发生介质击穿以形成电阻转换所需要的细丝。在同样限流电阻的条件下，相当于限流电流增加，因此，形成的细丝较粗，这将导致薄膜需要更高的能量来熔断细丝使其重新回到高阻态，即所需的reset功率较高，具体的原因还有待进一步分析。

四、結论

采用直流磁控溅射直接在n+-Si上沉积TiO2薄膜，获得了Au/TiO2/n+-Si结构的器件，研究了器件的电阻开关特性，并用细丝理论对其进行了解释。

参考文献：

[1]LIU Xin-Jun，LI Xiao-Min，et al. Journal of Inorganic Materials，2010，15（2）：151-156.

[2]Qi Liu，Ming Liu，Yan Wang，et al.Ext. Abs.The 11th International Workshop on Junction Technology，2011，（S6-1）：80-83.

[3]CAO Xun，LI Xiao-Min，YU Wei-Dong，et al. Journal of Inorganic Materials，2009，24（1）：49-52.

[4]D.Ielmini. Microelectronic Engineering，2009，86（7-9）：1870-1875.

[5]B.Chen，B.Gao，S.W.Sheng，et al. IEEE Electron Device Letters，2011，（32）：282-284.S.

[6]Mario Lanza. Materials，2014，（7）：2155-2182.