氧化钛电阻存储薄膜的电学性能研究

石 芬

（西安航空职业技术学院，陕西西安710089）

随着半导体工艺节点的不断推进，Flash遇到了越来越多的瓶颈问题，如浮栅厚度不能随器件尺寸的减小而无限制减薄[1]。此外，Flash的其他缺点如写入速度慢、操作电压高等也限制了其应用，这就迫使人们寻找性能更为优越的下一代非挥发存储器。互联网和电子产品的高速发展，对现有信息存储产品的性能提出了高速度、高密度、长寿命、低成本和低功耗等更高要求，迫切需要在存储器材料和技术方面取得突破[2]。

最有可能替代Flash存储器的新型非挥发存储器主要有：相变存储器、电阻存储器、磁存储器和铁电存储器。与其他非挥发存储器相比，电阻存储器具有操作电压低、低功耗、高写入速度、非破坏性读取、保持时间长、结构简单、与传统CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺相兼容等优点。电阻存储器所用的阻变材料有二元金属氧化物、钙钛矿结构三元化合物等，其中二元金属氧化物因它的组成结构简单，与传统CMOS工艺兼容性而成为电阻存储器主流研究领域，具备存储特性的二元金属氧化物种类有很多，如A12O3、TiO2[3]等。

本文通过溶胶-凝胶法在硅基板上采用浸渍提拉法制备出表面质量良好的氧化钛薄膜。对氧化钛薄膜进行电学性能测试，研究氧化钛薄膜的电阻反转特性和表面形貌。

1 实验

将一定量的钛酸丁酯在磁力搅拌器作用下充分溶解在乙二醇甲醚中，随后加入苯酰丙酮继续搅拌直到澄清，静置24h待用。在硅基板上采用浸渍提拉法制备氧化钛凝胶膜。

薄膜的电学性能通过半导体表征系统测试，图1是薄膜的结构测试示意图。在硅基板上通过超声喷雾法制备底电极，而通过离子溅射法制备顶电极，构成典型的类似电容的三明治结构的存储单元。测试样品的I-Ⅴ特性曲线，方法为：将待测样品置于探针台，探针台的一个探针与待测样品底电极接触，另一探针则与其顶电极接触，在保证两个探针与底顶电极接触良好的条件下，对样品施加偏置电压，仪器记录样品的I-Ⅴ特性曲线。采用AFM测定薄膜的表面形貌。

图1 薄膜结构测试示意图Fig.1 Schematic structure of Pt/TiO2/SnO2 RRAM cell

2 结果与分析

2.1 氧化钛薄膜的电学性能

图2 是氧化钛薄膜施加电压15Ⅴ的I-Ⅴ特性曲线图。当施加电压到11.7Ⅴ时，通过薄膜的电流变大，此时器件处于低阻状态，由图得出此时的电阻为7.8×105欧姆；当电压到12Ⅴ时，电流突然急剧下降接近于零，器件处于高阻态，此时电阻值几乎为无穷大。

图2 氧化钛薄膜施加电压15V的I-V特性曲线图Fig. 2 Typical I-V curve of thin films of TiO2

图3 是氧化钛薄膜施加电压20Ⅴ的I-Ⅴ特性曲线图。当施加电压到16Ⅴ时，通过薄膜的电流变大，器件处于低阻状态，由图得出此时的电阻为2.5×105欧姆；当电压到17.5Ⅴ时电流突然急剧下降接近于零，器件到达高阻态，此时电阻值几乎为无穷大。

图3 氧化钛薄膜施加电压20V的I-V特性曲线图Fig.3 Typical I-V curve of thin films of TiO2

图4 是氧化钛薄膜施加电压30Ⅴ的I-Ⅴ特性曲线图。当施加电压到8Ⅴ时，通过薄膜的电流变大，器件处于低阻状态，由图得出此时电阻为2×105欧姆；当电压达到20Ⅴ时，电流突然急剧下降接近于零，器件处于高阻态，此时电阻值几乎为无穷大。

图4 氧化钛薄膜施加电压30V的I-V特性曲线图Fig.4 Typical I-V curve of thin films of TiO2

图5 是氧化钛薄膜施加电压-30Ⅴ的I-Ⅴ特性曲线图。当施加电压-2Ⅴ时，通过薄膜的电流变大，器件处于低阻状态；由图得出此时的电阻为6875欧姆；当电压达-5.5Ⅴ时，电流突然急剧下降接近于零，器件处于高阻态，此时电阻值几乎为无穷大。当电压加到-25Ⅴ以后，电流多次增大、变化。

图5 氧化钛薄膜施加电压-30V的I-V特性曲线图Fig.5 Typical I-V curve of thin films of TiO2

2.2 氧化钛薄膜形貌分析

本文利用原子力显微镜对氧化钛薄膜进行微观表面形貌观察，图6是氧化钛薄膜施加电压为0、15、20、30、-30 Ⅴ的表面形貌。前三者的薄膜扫描范围为10000nm×10000nm。后两者的扫描范围为100000nm×100000nm。

图6 氧化钛薄膜施加不同电压时的表面形貌Fig.6 AFM images of TiO2 films at different voltage

由图6看出，未施加电压（0Ⅴ）时晶粒清晰可见，有少许析出物。随着电压的不断增加，晶粒变模糊，析出物越来越多。施加电压到20Ⅴ时，很难分辨出晶粒。此现象可能会影响I-Ⅴ特性曲线的测试。未施加电压时，薄膜色标为170.33nm，施加电压15Ⅴ时，薄膜色标为144.43nm，施加电压20Ⅴ时，薄膜色标为84.41nm，施加电压30Ⅴ时，薄膜色标为864.62nm，施加电压-30Ⅴ时，薄膜色标为750.46nm。由此得出，在施加20Ⅴ电压之前，薄膜的色标不大，表面比较平整。但当施加电压到达30Ⅴ时，薄膜的表面由于析出物过多而不再平整。在施加-30Ⅴ电压的AFM平面图和三维结构图中，都可以看到探针所留下的正方形痕迹，此时薄膜表面已有损坏。结合-30Ⅴ的I-Ⅴ特性曲线测试可知，再次证明此时的薄膜已经接近于击穿。

3 结论

采用溶胶凝胶法制备氧化钛薄膜，并测试其电学性能，测试结果表明，氧化钛薄膜具有电阻反转特性，但重复性不稳定。使用原子力显微镜在微观状态下观察可知，随着施加电压的增大，表面析出物的量会增加，其影响薄膜的电学性能测试，会导致薄膜测试处的顶电极破坏使整个样品击穿；但表面析出物为何种物质，有待进一步研究。