铁电场效应晶体管（FET）中的短期电荷俘获效应：脉冲幅度和时序的影响

金属电极对TiO基RRAM器件电阻开关行为的影响研究，采用脉冲直流反应溅射制备30nm TiOx薄膜，比较Al和TiN作为顶部电极的RS特性。实验表明TiN电极通过Ohmic和SCLC机制实现更优的开关比（>104倍）和稳定性（>104秒数据保留），揭示电极工程对电形成、传导机制及整体性能的关键作用。

　　

Karimul Islam|Rezwana Sultana|Aleksandra Dzi?gielewska|Robert Mroczyński

波兰华沙工业大学，微电子与光电子研究所，Koszykowa 75，00-662 华沙

摘要

本研究探讨了顶部金属电极对金属/TiO_x/ITO结构电阻式开关（RS）性能的影响。具体而言，研究了使用30纳米TiO_x薄膜作为活性层的器件中，Al和TiN作为顶部电极时的效果。这两种配置均表现出非易失性的双极电阻式开关特性，具有超过100次的循环耐久性和稳定的数据保持能力（>10⁴秒）。结果表明，顶部电极的选择对电形成过程、电流传导机制以及整体RS性能起着关键作用。值得注意的是，采用TiN作为顶部电极的器件表现出更稳定的RS行为，具有更好的开/关比和更高的操作稳定性。这些发现表明，电极工程为提高电阻式开关性能提供了可行的途径。本研究获得的见解为CMOS兼容的TiO_x基电阻式随机存取存储器（RRAM）器件的合理设计和优化奠定了基础。

引言

金属-绝缘体-金属（MIM）结构在施加电压或电流脉冲时表现出多种形式的RS特性，具有开发高性能非易失性存储器（通常称为RRAM）的巨大潜力[1]。与传统存储技术相比，RRAM具有低功耗、高操作速度、延长的保持时间和增强的存储容量等优点，这得益于其能够在单一器件中集成多层结构[2]。已经提出了多种策略来改善RRAM的开关行为均匀性，包括结构修改、离子注入、引入界面金属层、金属掺杂以及界面工程技术[3]、[4]、[5]。先前的研究表明，即使氧化物层相同，改变电极材料也会导致器件电性能的显著差异[6]。电极在决定RRAM器件的RS特性方面起着关键作用，这主要归因于电极功函数的不同以及电极与氧化物层接触的性质，这些因素会影响金属/氧化物界面的能量垒高度，从而影响RS行为[7]、[8]。多种二元氧化物已被研究作为RRAM中的开关材料，包括HfO_x [9]、ZrO_x [10]和TiO_x [11]。其中，TiO_x因其物理和化学性质的优良组合、环境兼容性、成本效益以及与CMOS的兼容性而受到特别关注。特别是含有锐钛矿和金红石相的混合相TiO₂在RRAM中表现出良好的性能[12]。尽管已经进行了大量研究来探讨TiO₂中的RS机制[13]，但仍需要进一步的研究来完全理解可逆RS转变机制并优化基于TiO_x的MIM结构的性能。本研究使用CMOS兼容的金属/TiO_x/ITO结构来研究基于TiO_x的RRAM器件的RS特性。TiO_x层是在室温下通过脉冲直流反应溅射技术沉积的[14]。具体而言，使用了Al和TiN作为顶部电极材料，以评估不同金属对开关行为的影响。通过使用能够与TiO_x层形成欧姆接触和肖特基接触的电极，设计了两种不同的器件配置：欧姆-肖特基和肖特基-肖特基结。这种方法使得可以对比评估电极依赖的RS性能。

实验细节

实验方法

MIM结构是通过多步骤脉冲直流磁控溅射沉积工艺在室温下制备的。作为基底使用了高掺杂的n型硅（ρ: 0.004-0.008 Ω·cm）。基底在标准RCA清洗和1分钟HF蚀刻后放入溅射室。底部ITO层是在Ar/O₂气氛（25:1比例）下，使用3 mTorr的压力和1000 W的靶功率通过反应溅射沉积的ITO靶材制备的。在整个过程中保持真空环境。

结果与讨论

图1(a)显示了30纳米TiO_x薄膜的XRD图谱。位于26°和55°附近的宽衍射晕表明薄膜为非晶态。晕内的峰位对应于锐钛矿和金红石相二氧化钛的混合。图1(b)展示了1 × 1 μm²区域内TiO_x薄膜的原子力显微镜（AFM）图像，显示出具有小颗粒的均匀薄膜表面。根据AFM高度剖面数据，表面具有较低的均方根（RMS）粗糙度。

结论

研究了两种不同类型顶部电极材料对TE/TiO_x/ITO结构RS性能的影响。与Al/TiO_x/ITO结构相比，TiN/TiO_x/ITO结构表现出更稳定的RS特性。在基于Al的结构中，电流传导主要受欧姆和肖特基发射机制控制；而在基于TiN的结构中，传导则主要受欧姆行为和SCLC机制控制。此外，TiN/TiO_x/ITO结构的开/关电流比更高。

作者贡献声明

Karimul Islam：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。Rezwana Sultana：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、软件开发、方法论设计、实验研究、数据管理。Aleksandra Dzi?gielewska：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、数据管理。Robert Mroczyński：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目监督、资源协调、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢波兰科学院物理研究所的Bartosz Witkowski进行了EDX测量。同时，作者还要感谢波兰科学院物理研究所的Monika Ozga提供了AFM数据。本研究得到了华沙工业大学通过“卓越计划-研究型大学（IDUB）”项目的资助，项目编号为CPR-IDUB/375/Z01/2023。