技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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 是表征载流子跃迀时所需克服周围陷阱对其束缚的势皇，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。
[0004] 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Ιησ~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。
[0005] 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
[0006] (一)要解决的技术问题
[0007] 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。
[0008] (二)技术方案
[0009] 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：
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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：
[0014] 式中F2表不低阻态下导电细丝的
电场，〇lrs表不电导率，〇〇表不电导的前因子，α表 示局域态长度的倒数，RU表示载流子跃迀的长度，q表示电子电荷，£1.,表示低阻态下载流 子运动的激活能，kB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；
[0015] 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，BP
[0016] dF(x)/dx = -nq/e (2)
[0017] 式中η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；
[0018] 在高阻态下阻变存储器导电细丝导通部分的电流表示为：
[0020] 式中μ〇表示载流子迀移率的前因子，£ίΛ)表示高阻态载流子运动的激活能；
[0021] 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：
[0023] 式中h表示导电细比断开点
位置的电场，h表示普朗克常量，Φβ表示势皇高度，m表 示自由电子的
质量；
[0024] 步骤3:计算阻变存储器高阻态下导电细丝的外加电场：
[0026] 式中Ll表不细丝导通部分的长度，Vhopping表不导电细丝导通部分的电压，Vt_eling 表示导电细丝断开部分的电压；
[0027]步骤4:结合上述公式(2)-(5)计算高低阻态下载流子跃迀的激活能。
[0028]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Hf02、Zr02 或W〇3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〇
[0029] 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。
[0030] 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:采用〇. IV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。
[0031] 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迀的激活能。
[0032](三)有益效果
[0033] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0034] 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。
[0035] 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
[0036]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。
[0037]图2是依照本发明
实施例的Hf02阻变存储器分别在HRS和LRS状态下载流子跃迀的 激活能的示意图。
[0038]图3是依照本发明实施例的Zr02阻变存储器分别在HRS和LRS状态下载流子跃迀的 激活能的示意图。
[0039]图4是依照本发明实施例的W03阻变存储器分别在HRS和LRS状态下载流子跃迀的 激活能的示意图。
具体实施方式
[0040] 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。
[0041] 根据对相关研究领域现状的分析，基于载流子的跃迀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)下载流子跃迀的激活能，如Hf 02，Zr02，W03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。
[0042] 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： [0043] 步骤1:利用原子层沉积的方法制备出Hf02，Zr02，W03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〇
[0044] 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；
[0045] 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 用〇. IV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。
[0046] 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。
[0047] 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：
[0049] 式中F2表不低阻态下导电细丝的电场，〇lrs表不电导率，〇〇表不电导的前因子，α表 示局域态长度的倒数，Ru表示载流子跃迀的长度，q表示电子电荷，表示低阻态下载流 子运动的激活能，kB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；
[0050] 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，BP
[0051] dF(x)/dx = -nq/e (2)
[0052]式中η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；
[0053] 在高阻态下阻变存储器导电细丝导通部分的电流表示为：
[0055] 式中μ〇表示载流子迀移率的前因子，表示高阻态载流子运动的激活能；
[0056] 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：
[0058] 式中h表示导电细比断开点位置的电场，h表示普朗克常量，Φβ表示势皇高度，m表 示自由电子的质量。
[0059] 步骤4:计算阻变存储器高阻态下导电细丝的外加电场。[0061 ] 式中Ll表不细丝导通部分的长度，Vhopping表不导电细丝导通部分的电压，Vt_eling 表示导电细丝断开部分的电压。
[0062 ]步骤5:结合上述公式(2)-(5)计算高低阻态下载流子跃迀的激活能。
[0063] 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迀的激活能。
[0064] 实施例1
[0065]以W/Ti/Hf02/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0.1 V的读电压，获得该读电压时低阻态下的电流值为1.97 X 1 0-4Α， 高阻态下的电流值1.14 X 10-5Α，将1.97 X 10-4Α代公式（1)中进行计算，获得低阻态下载流 子跃迀的激活能;将1.14Χ10-5Α代入公式(3)和(4)，然后结合公式(2)-(5)计算出高阻态下 载流子跃迀的激活能。结果如图2所示，在低阻状下（LRS)，载流子跃迀的激活能Ea = 0.9344eV，在高阻状态下(HRS)，载流子跃迀的激活能Ea = 0.9889eV。计算中所用参数为:温 度为T = 300K，V = 0 · IV，〇。= l〇13S/m，a-丄=1 · 5nm，Rij = 0 · 385nm，ε = 23，y〇 = 450m2/Vs，L = 5nm? ΦB = 2eV〇
[0066] 实施例2
[0067] 以TiN/Zr02/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 X 10-4A，高阻态下的电流值1.17 X 10-5A;将1.09 X 10-4A代公式（1) 中进行计算，获得低阻态下载流子跃迀的激活能;将1.17Χ10-5Α代入公式⑶和(4)，然后结 合公式(2)-(5)计算出高阻态下载流子跃迀的激活能。结果如图3所示，在低阻状下(LRS)， 载流子跃迀的激活能Ea = 1.9431eV，在高阻状下（HRS)，载流子跃迀的激活能Ea = 1.9906eV。计算中所用参数为：温度为1 = = = = 0·385nm，ε = 23，y〇 = 300m2/Vs，L= 10nm，ΦB = 2eV〇
[0068] 实施例3
[0069] 以Cu/W03/Pt器件作为一个实施例，然后通过0.1 V的读电压，获得该读电压时低阻 态下的电流值为2.0 X 10-7Α，高阻态下的电流值2.04 X 10_8A;将2.0 X 10_7A代公式（1)中进 行计算，获得低阻态下载流子跃迀的激活能;将2.04Χ10-8Α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迀的激活能。结果如图4所示，在低阻状下(LRS)，载流 子跃迀的激活能Ea = 0.7352eV，在高阻状下（HRS)，载流子跃迀的激活能Ea = 0.7953eV。计 算中所用参数为:温度为 T = 300K，V = 0= = = y〇=150m2/Vs，L = 50nm，B = 2eV〇
[0070]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。
