CN103928057A - 一种测量阻变存储器激活能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量阻变存储器激活能的方法，包括：测量阻变存储器的I-V曲线，并从该I-V曲线来确定阻变存储器的低阻态电流值及高阻态电流值；计算在低阻态及高阻态下阻变存储器导电细丝中的电流；计算阻变存储器高阻态下导电细丝的外加电场；计算高低阻态下载流子跃迁的激活能。利用本发明，通过简单的方法可以测量出阻变存储器的激活能，大大减少了测量误差，并能够区分出电子运动、离子扩散等载流子运动时各自的激活能，为研究阻变存储器的微观物理机制提供理论指导。

Description

一种测量阻变存储器激活能的方法

技术领域

本发明属于半导体存储器器件技术领域，尤其是一种测量阻变存储器激活能的方法。

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。随着现代信息技术的快速发展，人们在拥有指数级增长的信息处理能力的同时，也不断追求速度更快、容量更高、功耗更低的非挥发性存储芯片来存储海量数据。到目前为止，闪存(Flash)是最成功的高密度非挥发性存储器。但是随着器件尺寸不断缩小，Flash的发展受到限制，一方面它的编程电压不能按比例减小，另一方面随着器件尺寸减小、隧道氧化层减薄，电荷保持性能下降。因此，新的存储技术的研究越来越受到人们的关注。

阻变存储器(RRAM)作为一种新的非易失性存储器，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。在阻变存储器中，激活能是表征载流子跃迁时所需克服周围陷阱对其束缚的势垒，因此，准确地表征激活能对于分析RRAM的微观物理机制具有十分重要的意义。

目前，人们表征阻变存储器中载流子的激活能普遍都是通过温度-电阻曲线的测量，然后做出lnσ～1000/T的曲线，其斜率就是代表激活能。然而，这种实验方法测出的激活能是器件整体的激活能，不能区分出电子运动、离子扩散等载流子运动时各自的激活能，因而不能准确地通过激活能来分析阻变存储器中载流子的输运特性。

另外，由于测量时误差的不可避免，通过变温测试获得的激活能也将存在误差，这对于研究阻变存储器的微观物理机制具有重大的影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种测量阻变存储器激活能的方法，以减少测量误差，并区分出电子运动、离子扩散等载流子运动时各自的激活能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种测量阻变存储器激活能的方法，该方法包括：

步骤1：测量阻变存储器的I-V曲线，并从该I-V曲线来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：

$I={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LRS}}{F}_{2}S={\mathrm{\σ}}_0\mathrm{Sexp}(-2\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{ij}}-q{E}_{a\left(a\right)}^L/k_{B}T)V/L---\left(1\right)$

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；

在高阻态下阻变存储器导电细丝导通部分的电流表示为：

$I_{\mathrm{hopping}}=\mathrm{nq}{\mathrm{\μ}}_0\exp (-2\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{ij}}-q{E}_{a\left(a\right)}^H/k_{B}T)F\left(x\right)S---\left(3\right)$

式中μ₀表示载流子迁移率的前因子，表示高阻态载流子运动的激活能；

同时，根据福勒-诺德海姆发射理论，在高阻态下阻变存储器导电细丝断开部分的电流通过下式表示：

$I_{\mathrm{tunneling}}=q^3{F_1}^{2}S/\left(8\mathrm{\πh}{\mathrm{\φ}}_B\right)\exp [-8\mathrm{\π}\sqrt{2m}{{\mathrm{\φ}}_B}^{\frac{3}{2}}/\left(3\mathrm{hq}{F}_1\right)]---\left(4\right)$

式中F_l表示导电细比断开点位置的电场，h表示普朗克常量，φ_B表示势垒高度，m表示自由电子的质量；

步骤3：计算阻变存储器高阻态下导电细丝的外加电场：

$V=V_{\mathrm{hopping}}+V_{\mathrm{tunneling}}={\∫}_0^{L_1}F\left(x\right)\mathrm{dx}+F_1(L-L_1)---\left(5\right)$

式中L_l表示细丝导通部分的长度，V_hopping表示导电细丝导通部分的电压，V_tunneling表示导电细丝断开部分的电压；

步骤4：结合上述公式(2)-(5)计算高低阻态下载流子跃迁的激活能。

上述方案中，步骤1中所述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中所述从该I-V曲线来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4包括：计算低阻态的激活能时，将步骤1中测得的低阻态电流值代入公式(1)中进行计算；计算高阻态的激活能时，将步骤1中测得的高阻态电流值代入公式(3)和(4)；最后，结合公式(2)-(5)计算出高阻态下载流子跃迁的激活能。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，通过简单的方法可以测量出阻变存储器的激活能，大大减少了测量误差，并能够区分出电子运动、离子扩散等载流子运动时各自的激活能，为研究阻变存储器的微观物理机制提供理论指导。

2、利用本发明，提取的激活能可以直接用于分析阻变存储器的电学特性，从而通过简单的方法选择出最优的材料制备的阻变存储器器件。

附图说明

图1是本发明提供的测量阻变存储器激活能的方法流程图。

图2是依照本发明实施例的HfO₂阻变存储器分别在HRS和LRS状态下载流子跃迁的激活能的示意图。

图3是依照本发明实施例的ZrO₂阻变存储器分别在HRS和LRS状态下载流子跃迁的激活能的示意图。

图4是依照本发明实施例的WO₃阻变存储器分别在HRS和LRS状态下载流子跃迁的激活能的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

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，本发明提出了一种测量阻变存储器激活能的方法，此方法简单，结果精确，误差小，可广泛应用于提取具有不同材料、器件厚度不同的阻变存储器分别在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)下载流子跃迁的激活能，如HfO₂，ZrO₂，WO₃等阻变存储器，从而为研究不同类型的RRAM的微观物理机制提供一种新的物理方法。

如图1所示，本发明提供的测量阻变存储器激活能的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：利用原子层沉积的方法制备出HfO₂，ZrO₂，WO₃等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。

步骤2：采用KEITHLEY4200-SCS型半导体特性分析系统测量阻变存储器的I-V曲线，并从该I-V曲线来确定阻变存储器的低阻态电流值及高阻态电流值；

其中，从该I-V曲线来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。

步骤3：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：

$I={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LRS}}{F}_{2}S={\mathrm{\σ}}_0\mathrm{Sexp}(-2\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{ij}}-q{E}_{a\left(a\right)}^L/k_{B}T)V/L---\left(1\right)$

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；

在高阻态下阻变存储器导电细丝导通部分的电流表示为：

$I_{\mathrm{hopping}}=\mathrm{nq}{\mathrm{\μ}}_0\exp (-2\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{ij}}-q{E}_{a\left(a\right)}^H/k_{B}T)F\left(x\right)S---\left(3\right)$

式中μ₀表示载流子迁移率的前因子，表示高阻态载流子运动的激活能；

同时，根据福勒-诺德海姆发射理论，在高阻态下阻变存储器导电细丝断开部分的电流通过下式表示：

$I_{\mathrm{tunneling}}=q^3{F_1}^{2}S/\left(8\mathrm{\πh}{\mathrm{\φ}}_B\right)\exp [-8\mathrm{\π}\sqrt{2m}{{\mathrm{\φ}}_B}^{\frac{3}{2}}/\left(3\mathrm{hq}{F}_1\right)]---\left(4\right)$

式中F_l表示导电细比断开点位置的电场，h表示普朗克常量，φ_B表示势垒高度，m表示自由电子的质量。

步骤4：计算阻变存储器高阻态下导电细丝的外加电场。

$V=V_{\mathrm{hopping}}+V_{\mathrm{tunneling}}={\∫}_0^{L_1}F\left(x\right)\mathrm{dx}+F_1(L-L_1)---\left(5\right)$

式中L_l表示细丝导通部分的长度，V_hopping表示导电细丝导通部分的电压，V_tunneling表示导电细丝断开部分的电压。

步骤5：结合上述公式(2)-(5)计算高低阻态下载流子跃迁的激活能。

计算低阻态的激活能时，将步骤1中测得的低阻态电流值代入公式(1)中进行计算；计算高阻态的激活能时，将步骤1中测得的高阻态电流值代入公式(3)和(4)；最后，结合公式(2)-(5)计算出高阻态下载流子跃迁的激活能。

实施例1

以W/Ti/HfO₂/Pt器件作为一个实施例，首先通过电学方法测量获得HRS和LRS状态下的I-V特性，然后通过0.1V的读电压，获得该读电压时低阻态下的电流值为1.97×10^-4A，高阻态下的电流值1.14×10^-5A，将1.97×10^-4A代公式(1)中进行计算，获得低阻态下载流子跃迁的激活能；将1.14×10^-5A代入公式(3)和(4)，然后结合公式(2)-(5)计算出高阻态下载流子跃迁的激活能。结果如图2所示，在低阻状下(LRS)，载流子跃迁的激活能Ea＝0.9344eV，在高阻状态下(HRS)，载流子跃迁的激活能Ea＝0.9889eV。计算中所用参数为：温度为T＝300K，V＝0.1V，σ₀＝10¹³S/m，α^-1＝1.5nm，R_ij＝0.385nm，ε＝23，μ₀＝450m²/Vs，L＝5nm，φ_B＝2eV。

实施例2

以TiN/ZrO₂/Pt器件作为一个实施例，然后通过0.1V的读电压，获得该读电压时低阻态下的电流值为1.09×10^-4A，高阻态下的电流值1.17×10^-5A；将1.09×10^-4A代公式(1)中进行计算，获得低阻态下载流子跃迁的激活能；将1.17×10^-5A代入公式(3)和(4)，然后结合公式(2)-(5)计算出高阻态下载流子跃迁的激活能。结果如图3所示，在低阻状下(LRS)，载流子跃迁的激活能Ea＝1.9431eV，在高阻状下(HRS)，载流子跃迁的激活能Ea＝1.9906eV。计算中所用参数为：温度为T＝300K，V＝0.1V，σ₀＝10¹³S/m，α^-1＝1.5nm，R_ij＝0.385nm，ε＝23，μ₀＝300m²/Vs，L＝10nm，φ_B＝2eV。

实施例3

以Cu/WO₃/Pt器件作为一个实施例，然后通过0.1V的读电压，获得该读电压时低阻态下的电流值为2.0×10^-7A，高阻态下的电流值2.04×10^-8A；将2.0×10^-7A代公式(1)中进行计算，获得低阻态下载流子跃迁的激活能；将2.04×10^-8A代入公式(3)和(4)，然后结合公式(2)-(5)计算出高阻态下载流子跃迁的激活能。结果如图4所示，在低阻状下(LRS)，载流子跃迁的激活能Ea＝0.7352eV，在高阻状下(HRS)，载流子跃迁的激活能Ea＝0.7953eV。计算中所用参数为：温度为T＝300K，V＝0.1V，σ₀＝10¹³S/m，α^-1＝1.5nm，R_ij＝0.385nm，ε＝35，μ₀＝150m²/Vs，L＝50nm，φ_B＝2eV。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量阻变存储器激活能的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：测量阻变存储器的I-V曲线，并从该I-V曲线来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：

$I={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LRS}}{F}_{2}S={\mathrm{\σ}}_0\mathrm{Sexp}(-2\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{ij}}-q{E}_{a\left(a\right)}^L/k_{B}T)V/L---\left(1\right)$

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；

在高阻态下阻变存储器导电细丝导通部分的电流表示为：

$I_{\mathrm{hopping}}=\mathrm{nq}{\mathrm{\μ}}_0\exp (-2\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{ij}}-q{E}_{a\left(a\right)}^H/k_{B}T)F\left(x\right)S---\left(3\right)$

式中μ₀表示载流子迁移率的前因子，表示高阻态载流子运动的激活能；

同时，根据福勒-诺德海姆发射理论，在高阻态下阻变存储器导电细丝断开部分的电流通过下式表示：

$I_{\mathrm{tunneling}}=q^3{F_1}^{2}S/\left(8\mathrm{\πh}{\mathrm{\φ}}_B\right)\exp [-8\mathrm{\π}\sqrt{2m}{{\mathrm{\φ}}_B}^{\frac{3}{2}}/\left(3\mathrm{hq}{F}_1\right)]---\left(4\right)$

式中F_l表示导电细比断开点位置的电场，h表示普朗克常量，φ_B表示势垒高度，m表示自由电子的质量；

步骤3：计算阻变存储器高阻态下导电细丝的外加电场：

$V=V_{\mathrm{hopping}}+V_{\mathrm{tunneling}}={\∫}_0^{L_1}F\left(x\right)\mathrm{dx}+F_1(L-L_1)---\left(5\right)$

式中L_l表示细丝导通部分的长度，V_hopping表示导电细丝导通部分的电压，V_tunneling表示导电细丝断开部分的电压；

步骤4：结合上述公式(2)-(5)计算高低阻态下载流子跃迁的激活能。

2.根据权利要求1所述的测量阻变存储器激活能的方法，其特征在于，步骤1中所述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。

3.根据权利要求1所述的测量阻变存储器激活能的方法，其特征在于，步骤1中所述测量阻变存储器的I-V曲线，是采用KEITHLEY4200-SCS型半导体特性分析系统进行的。

4.根据权利要求1所述的测量阻变存储器激活能的方法，其特征在于，步骤1中所述从该I-V曲线来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。

5.根据权利要求1所述的测量阻变存储器激活能的方法，其特征在于，所述步骤4包括：

计算低阻态的激活能时，将步骤1中测得的低阻态电流值代入公式(1)中进行计算；

计算高阻态的激活能时，将步骤1中测得的高阻态电流值代入公式(3)和(4)；

最后，结合公式(2)-(5)计算出高阻态下载流子跃迁的激活能。