Ni/HfO2/Pt阻变单元特性与机理的研究

庞华; 邓宁

doi:10.7498/aps.63.147301

摘要

研究了Ni/HfO2（10 nm）/Pt存储单元的阻变特性和机理. 该器件具有forming-free 的性质，还表现出与以往HfO2（3 nm）基器件不同的复杂的非极性阻变特性，并且具有较大的存储窗口值（>105）. 存储单元的低阻态阻值不随单元面积改变，符合导电细丝阻变机理的特征. 采用X 射线光电子能谱仪分析器件处于低阻态时的阻变层HfO2薄膜的化学组分以及元素的化学态，结果表明，Ni/HfO2/Pt阻变存储器件处于低阻态时的导电细丝是由金属Ni导电细丝和氧空位导电细丝共同形成的.

关键词:

Abstract

Electric characteristics and resistive switching mechanism of Ni/HfO2/Pt cell are investigated. The cell has a forming-free property and shows an abnormal non-polar switching behavior. A high ON/OFF resistance ratio (>105) is obtained. The resistance of the on-state is independent of cell size, which implies that a conductive filament is formed in HfO2 film. X-ray photoelectron spectroscopy is used to investigate the compositions and valences of Ni and Hf in HfO2 film for the on-state cell. The results show that there is a hybrid filament comprised of a Ni filament and an oxygen vacancy filament in the HfO2 film for the on-state.

Keywords:

作者及机构信息

庞华,
邓宁

1.
清华大学微电子学研究所, 北京 100084

基金项目: 国家高技术研究发展计划（批准号：2011AA010403）资助的课题.

Authors and contacts

Pang Hua,
Deng Ning

1.
Institute of Microelectronics, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Funds: Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2011AA010403).

参考文献

[1]	Baek I G, Kim D C, Lee, M J, Kim H J, Yim E K, Lee M S, Lee J E, Ahn S E, Seo S, Lee J H, Cha Y K, Park S O, Kim H S, Yoo I K, Chung U I, Moon J T, Ryu B I 2005 International Electron Device Meeting Washington DC, USA December 5-5, 2005 p750
[2]	Waser R, Aono M 2007 Nat. Mater. 6 833
[3]	Liang X F, Chen Y, Chen L, Yin J, Liu Z G 2007 Appl. Phys. Lett. 90 022508
[4]	Chen L, Liu Z, Xia Y, Yin K, Gao L, Yin J 2009 Appl. Phys. Lett. 94 162112
[5]	Yan Z B, Wang K F, Li S Z, Luo S J, Liu J M 2009 Appl. Phys. Lett. 95 143502
[6]	Xing Z W, Wu N J, Ignatiev A 2007 Appl. Phys. Lett. 91 052106
[7]	Kim K M, Choi B J, Shin Y C, Choi S, Hwang C S 2007 Appl. Phys. Lett. 91 012907
[8]	Kinoshtia K, Okutani T, Tanaka H, Hinoki T, Yazawa K, Ohmi K, Kishida S 2010 Appl. Phys. Lett. 96 143505
[9]	Lv H, Wang M, Wan H, Song Y, Luo W, Zhou P, Tang T, Lin Y, Huang R, Song S, Wu J G, Wu H M, Chi M H 2009 Appl. Phys. Lett. 94 213502
[10]	Zhang H, Gao B, Sun B, Chen G P, Zeng L, Liu L F, Liu X Y, Lu J, Han R Q, Kang J F, Yu B 2010 Appl. Phys. Lett. 96 123502
[11]	Scott J C, Bozano L D 2007 Adv. Mater. 19 1452
[12]	Heremans P Gelinck G H, Muller R, Baeg K J, Kim D Y, Noh Y Y 2011 Chem. Mater. 23 341
[13]	Liu X J, Sadaf S M, Son M, Shin J, Park J, Lee J, Park S, Hwang H 2011 Nanotechnology 22 475702
[14]	Tran X A, Zhu W, Liu W J, Yeo Y C, Nguyen B Y, Yu H Y 2012 IEEE Electron Dev. Lett. 33 1402
[15]	Chen C, Song C, Yang J, Zeng F, Pan F 2012 Appl. Phys. Lett. 100 253509
[16]	Tran X A, Yu H Y, Yeo Y C, Wu L, Liu W J, Wang Z R, Fang Z, Pey K L, Sun X W, Du A Y, Nguyen B Y, Li M F 2011 IEEE Electron Dev. Lett. 32 396
[17]	Qiu D H, Wen Q Y, Yang Q H, Chen Z, Jing Y L, Zhang H W 2013 Acta Phys. Sin. 62 217201 (in Chinese) [邱东鸿, 文岐业, 杨青慧, 陈智, 荆玉兰, 张怀武 2013 62 217201]
[18]	Tan T T, Chen X, Guo T T, Liu Z T 2013 Chin. Phys. Lett. 30 107302
[19]	Wei X Y, Hu M, Zhang K L, Wang F, Zhao H S, Miao Y P 2013 Chin. Phys. B 22 037201
[20]	Chen Y Y, Goux L, Clima S, Govoreanu B, Degraeve R, Kar G S, Fantini A, Groeseneken G, Wouters D J, Jurczak M 2013 IEEE Trans. Electron Dev. 60 1114
[21]	Tran X A, Yu H Y, Gao B, Kang J F, Sun X W, Yeo Y C, Nyugen B Y, Li M F 2011 IEEE Electron Dev. Lett. 32 1290
[22]	Wong Philip H. S., Lee H Y, Yu S M, Chen Y S, Wu Y, Chen P S, Lee B, Chen F T, Tsai M J 2012 Proc. IEEE 100 1951
[23]	Lin Y S, Zeng F, Tang S G, Liu H Y, Chen C, Gao S, Wang Y G, Pan F 2013 J. Appl. Phys. 113 064510
[24]	Morant C, Galan L, Sanz J M 1990 Surf. Interface Anal. 112 304
[25]	Zhang L L, Terauchi S Y, Azuma Y, Fujimoto T 2008 Surf. Interface Anal. 13 1701
[26]	Kim K S, Winograd N 1974 Surf. Sci. 43 625
[27]	Sasi B, Gopchandran K G 2007 Nanotechnology 18 115613
[28]	Natile M M, Glisenti A 2002 Chem. Mater. 14 4895

施引文献

[1]	Baek I G, Kim D C, Lee, M J, Kim H J, Yim E K, Lee M S, Lee J E, Ahn S E, Seo S, Lee J H, Cha Y K, Park S O, Kim H S, Yoo I K, Chung U I, Moon J T, Ryu B I 2005 International Electron Device Meeting Washington DC, USA December 5-5, 2005 p750
[2]	Waser R, Aono M 2007 Nat. Mater. 6 833
[3]	Liang X F, Chen Y, Chen L, Yin J, Liu Z G 2007 Appl. Phys. Lett. 90 022508
[4]	Chen L, Liu Z, Xia Y, Yin K, Gao L, Yin J 2009 Appl. Phys. Lett. 94 162112
[5]	Yan Z B, Wang K F, Li S Z, Luo S J, Liu J M 2009 Appl. Phys. Lett. 95 143502
[6]	Xing Z W, Wu N J, Ignatiev A 2007 Appl. Phys. Lett. 91 052106
[7]	Kim K M, Choi B J, Shin Y C, Choi S, Hwang C S 2007 Appl. Phys. Lett. 91 012907
[8]	Kinoshtia K, Okutani T, Tanaka H, Hinoki T, Yazawa K, Ohmi K, Kishida S 2010 Appl. Phys. Lett. 96 143505
[9]	Lv H, Wang M, Wan H, Song Y, Luo W, Zhou P, Tang T, Lin Y, Huang R, Song S, Wu J G, Wu H M, Chi M H 2009 Appl. Phys. Lett. 94 213502
[10]	Zhang H, Gao B, Sun B, Chen G P, Zeng L, Liu L F, Liu X Y, Lu J, Han R Q, Kang J F, Yu B 2010 Appl. Phys. Lett. 96 123502
[11]	Scott J C, Bozano L D 2007 Adv. Mater. 19 1452
[12]	Heremans P Gelinck G H, Muller R, Baeg K J, Kim D Y, Noh Y Y 2011 Chem. Mater. 23 341
[13]	Liu X J, Sadaf S M, Son M, Shin J, Park J, Lee J, Park S, Hwang H 2011 Nanotechnology 22 475702
[14]	Tran X A, Zhu W, Liu W J, Yeo Y C, Nguyen B Y, Yu H Y 2012 IEEE Electron Dev. Lett. 33 1402
[15]	Chen C, Song C, Yang J, Zeng F, Pan F 2012 Appl. Phys. Lett. 100 253509
[16]	Tran X A, Yu H Y, Yeo Y C, Wu L, Liu W J, Wang Z R, Fang Z, Pey K L, Sun X W, Du A Y, Nguyen B Y, Li M F 2011 IEEE Electron Dev. Lett. 32 396
[17]	Qiu D H, Wen Q Y, Yang Q H, Chen Z, Jing Y L, Zhang H W 2013 Acta Phys. Sin. 62 217201 (in Chinese) [邱东鸿, 文岐业, 杨青慧, 陈智, 荆玉兰, 张怀武 2013 62 217201]
[18]	Tan T T, Chen X, Guo T T, Liu Z T 2013 Chin. Phys. Lett. 30 107302
[19]	Wei X Y, Hu M, Zhang K L, Wang F, Zhao H S, Miao Y P 2013 Chin. Phys. B 22 037201
[20]	Chen Y Y, Goux L, Clima S, Govoreanu B, Degraeve R, Kar G S, Fantini A, Groeseneken G, Wouters D J, Jurczak M 2013 IEEE Trans. Electron Dev. 60 1114
[21]	Tran X A, Yu H Y, Gao B, Kang J F, Sun X W, Yeo Y C, Nyugen B Y, Li M F 2011 IEEE Electron Dev. Lett. 32 1290
[22]	Wong Philip H. S., Lee H Y, Yu S M, Chen Y S, Wu Y, Chen P S, Lee B, Chen F T, Tsai M J 2012 Proc. IEEE 100 1951
[23]	Lin Y S, Zeng F, Tang S G, Liu H Y, Chen C, Gao S, Wang Y G, Pan F 2013 J. Appl. Phys. 113 064510
[24]	Morant C, Galan L, Sanz J M 1990 Surf. Interface Anal. 112 304
[25]	Zhang L L, Terauchi S Y, Azuma Y, Fujimoto T 2008 Surf. Interface Anal. 13 1701
[26]	Kim K S, Winograd N 1974 Surf. Sci. 43 625
[27]	Sasi B, Gopchandran K G 2007 Nanotechnology 18 115613
[28]	Natile M M, Glisenti A 2002 Chem. Mater. 14 4895

[1]	王英, 黄慧香, 黄香林, 郭婷婷. 光电协同调控下HfO_x基阻变存储器的阻变特性. , 2023, 72(19): 197201. doi: 10.7498/aps.72.20230797
[2]	李伟, 朱慧文, 孙彤, 屈文山, 李建刚, 杨辉, 高志翔, 施薇, 魏斌, 王华. 基于1, 2 - 二氰基苯/聚合物复合材料的高耐久性有机阻变存储器. , 2023, 72(4): 048501. doi: 10.7498/aps.72.20221507
[3]	柯庆, 代月花. 电化学金属化阻性存储器导电细丝生长中的离子动力学研究. , 2023, 72(24): 248501. doi: 10.7498/aps.72.20231232
[4]	张志超, 王芳, 吴仕剑, 李毅, 弭伟, 赵金石, 张楷亮. 氧分压对Ni/HfOx/TiN阻变存储单元阻变特性的影响. , 2018, 67(5): 057301. doi: 10.7498/aps.67.20172194
[5]	余志强, 刘敏丽, 郎建勋, 钱楷, 张昌华. 基于Au/TiO2/FTO结构忆阻器的开关特性与机理研究. , 2018, 67(15): 157302. doi: 10.7498/aps.67.20180425
[6]	顾艳妮, 吴小山. 氧空穴导致二氧化钒低温相带隙变窄. , 2017, 66(16): 163102. doi: 10.7498/aps.66.163102
[7]	李建昌, 邵思佳. 分子包埋纳米粒子薄膜阻变特性研究进展. , 2017, 66(1): 017101. doi: 10.7498/aps.66.017101
[8]	许雅明, 王丽丹, 段书凯. 磁控二氧化钛忆阻混沌系统及现场可编程逻辑门阵列硬件实现. , 2016, 65(12): 120503. doi: 10.7498/aps.65.120503
[9]	代月花, 潘志勇, 陈真, 王菲菲, 李宁, 金波, 李晓风. 基于HfO2的阻变存储器中Ag导电细丝方向和浓度的第一性原理研究. , 2016, 65(7): 073101. doi: 10.7498/aps.65.073101
[10]	熊瑛, 文岐业, 田伟, 毛淇, 陈智, 杨青慧, 荆玉兰. 硅基二氧化钒相变薄膜电学特性研究. , 2015, 64(1): 017102. doi: 10.7498/aps.64.017102
[11]	黄立静, 任乃飞, 李保家, 周明. 激光辐照对热退火金属/掺氟二氧化锡透明导电薄膜光电性能的影响. , 2015, 64(3): 034211. doi: 10.7498/aps.64.034211
[12]	蒋然, 杜翔浩, 韩祖银, 孙维登. Ti/HfO2/Pt阻变存储单元中的氧空位聚簇分布. , 2015, 64(20): 207302. doi: 10.7498/aps.64.207302
[13]	薛将, 潘风明, 裴煜. 钽掺杂二氧化钛薄膜的光电性能研究. , 2013, 62(15): 158103. doi: 10.7498/aps.62.158103
[14]	孙丹丹, 陈智, 文岐业, 邱东鸿, 赖伟恩, 董凯, 赵碧辉, 张怀武. 二氧化钒薄膜低温制备及其太赫兹调制特性研究. , 2013, 62(1): 017202. doi: 10.7498/aps.62.017202
[15]	韦晓莹, 胡明, 张楷亮, 王芳, 刘凯. 氧化钒薄膜的微结构及阻变特性研究. , 2013, 62(4): 047201. doi: 10.7498/aps.62.047201
[16]	黄丛亮, 冯妍卉, 张欣欣, 李威, 杨穆, 李静, 王戈. 介孔二氧化硅基导电聚合物复合材料热导率的实验研究. , 2012, 61(15): 154402. doi: 10.7498/aps.61.154402
[17]	王利霞, 李建平, 何秀丽, 高晓光. 二氧化钒薄膜的低温制备及其性能研究. , 2006, 55(6): 2846-2851. doi: 10.7498/aps.55.2846
[18]	王长顺, 潘煦, Urisu Tsuneo. 同步辐射光激励的二氧化硅薄膜刻蚀研究. , 2006, 55(11): 6163-6167. doi: 10.7498/aps.55.6163
[19]	马书懿, 张伯蕊, 秦国刚, 韩和相, 汪兆平, 李国华, 马振昌, 宗婉华. 含纳米锗粒二氧化硅薄膜的光致发光研究. , 1998, 47(3): 502-507. doi: 10.7498/aps.47.502
[20]	余靖, 刘丽英, 徐雷, 王文澄, 李富铭. 掺半花菁二氧化硅薄膜光学二次谐波产生. , 1997, 46(6): 1125-1130. doi: 10.7498/aps.46.1125

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