[发明专利]一种提取金属氧化物基阻变存储器载流子输运通道的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体存储器器件技术领域，尤其是一种提取金属氧化物基阻变存储器载流子输运通道的方法。

背景技术

存储器是集成电路中最基本、最重要的部件之一，也是微电子技术水平的重要指标。目前主流的硅基浮栅存储器随着工艺技术在进入22nm工艺节点后，由于工艺复杂，超薄氧化层中直接隧穿效应、应力导致的漏电效应、源漏穿通效应和邻位干扰严重等多种因素限制单元尺寸进一步缩小，存储器单元尺寸的缩小面临着巨大的困难。这使得基于电阻变化进行数据存储的电阻式非易失随机存取存储器件(Resistive Random AccessMemory，简称RRAM)受到广泛的关注。

RRAM作为一种新的非挥发性存储器，具有结构简单、工作速度快、功耗低、信息保持稳定等优点，是下一代非挥发性存储器的有力竞争者之一。但是，由于RRAM微观物理机制的不清晰，严重阻碍了其发展。从最基本的微观层面探讨和研究RRAM的微观物理机制，对于控制和提高器件的存储特性具有重要的指导作用。在金属氧化物基的RRAM中，阻变现象的发生通常被认为是由于导电细丝的形成与破灭而形成，而导电细丝的形成通常归功于各种类型的缺陷形成的渗流通道。因此，研究载流子在导电细丝中的输运特性是清楚地了解RRAM的微观物理机制的关键。目前，随机电报信号(RTN)方法是一种较为常用的探测半导体材料中缺陷能级的方法，但是，由于在RRAM器件中存在大量的缺陷，人们想通过RTN方法探测RRAM中载流子输运的缺陷具有巨大的因难。

因此，开发一种有效的方法探测RRAM器件中的缺陷，进而提取器件中载流子输运的通道是十分重要的，同时，对于理解RRAM器件的基本特性，指导器件的设计和制作都具有十分重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明根据对相关研究领域现状的分析，基于载流子的跃迁理论和第一性原理计算方法，提出了一种提取金属氧化物基阻变存储器载流子输运通道的方法，此方法操作简单，可广泛应用于各种材料和结构不同的金属氧化物基的阻变存储器输运通道的提取。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明根据对相关研究领域现状的分析，基于载流子的跃迁理论并结合实验测得的I-V曲线，提出了一种提取金属氧化物基阻变存储器载流子输运通道的方法，该方法包括：

步骤1：测量金属氧化物基阻变存储器的I-V曲线，并根据该I-V曲线确定阻变存储器的低阻态电流值及高阻态电流值；

步骤2：计算在低阻态及高阻态下载流子在导电细丝中跃迁的平均激活能；

步骤3：计算载流子在导电细丝中跃迁时通道的平均激活能；

步骤4：确定载流子输运的缺陷能级及提取载流子输运的通道。

上述方案中，所述金属氧化物基阻变存储器是利用原子层沉积的方法制备的HfO₂、ZrO₂或WO₃材料的阻变存储器器件，器件厚度为5-30nm，器件的下电极为Pt/Ti金属层，Pt厚度为40nm，Ti厚度为10nm；上电极为W/Ti金属层，W厚度为30nm，Ti厚度为5nm。

上述方案中，步骤1中所述测量金属氧化物基阻变存储器的I-V曲线，是采用KEITHLEY4200-SCS型半导体特性分析系统进行的。

上述方案中，步骤1中所述根据该I-V曲线确定阻变存储器的低阻态电流值及高阻态电流值，包括：采用0.1V的读电压从测得的I-V曲线中读出该读电压下的两个电流值，将这两个电流值中较大的值定为低阻态的电流值，较小的值定为高阻态的电流值。

上述方案中，所述步骤2包括：

步骤21：计算在低阻态及高阻态下阻变存储器导电细丝中的电流；

其中，在低阻态下阻变存储器导电细丝中的电流通过下式得到：

式中F₂表示低阻态下导电细丝的电场，σ_LRS表示电导率，σ₀表示电导的前因子，α表示局域态长度的倒数，R_ij表示载流子跃迁的长度，q表示电子电荷，表示低阻态下载流子运动的激活能，k_B表示波尔兹曼常数，T表示器件的温度，V表示外加电压，L表示器件的厚度，S表示导电细丝的横截面积；

在高阻态下，由于空间电荷限制电流的效应，对于阻变存储器导电细丝导通的部分，电场符合泊松定律，即

dF(x)/dx＝-nq/ε(2)

式中n表示载流子浓度，ε表示材料的介电常数，F(x)表示电场强度；