无需顺应电流的ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂三层阻变存储器实现可控界面多态切换

摘要

我们报道了一种无需外部顺应电流即可切换的ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂三层阻变存储器，利用界面型与丝型模式间的可控转换。在界面模式下，ZrO₂₋ₓ层中氧离子迁移调制电阻；在丝型模式下，两个弱丝形成的固有串联电阻提供自顺应。通过调节RESET电压，实现稳定的多态存储，适用于下一代高性能非易失性器件。

背景

非易失性存储器发展要求更高密度、速度和更低功耗。基于金属氧化物的阻变随机存取存储器（RRAM）因其可扩展性、CMOS兼容性和低能耗运行而脱颖而出[3]。主导切换机制涉及电场驱动氧空位迁移，导致丝型或界面（均匀）导电[4-6]。丝型切换依赖桥接电极的导电丝，而界面切换由界面处空位分布支配，产生均匀电流分布[5-6]。观察到的模式取决于器件架构；垂直方向氧梯度分布常促进界面行为[7-8]，而近期研究证实两种模式可在单一材料中共存[9-11]。

多态存储——利用高电阻态（HRS）和低电阻态（LRS）间的中间电阻态（IRS）——为提高存储密度和实现类神经突触提供前景[19-23]。传统多态RRAM在SET过程需电流顺应防止器件损坏，增加电路设计复杂度和制造成本[29-30]。一种无需顺应仍能实现多态操作的架构将是重大进展。

ZrO₂因其热力学稳定性、简单化学计量和CMOS兼容性成为理想切换层[31-33]。引入界面Zr层形成ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂异质结构可增强切换特性[34-35]。本文展示此类三层器件同时展现界面和丝型切换，并可控转换，演示了无顺应多态行为。

方法

三层薄膜（20 nm/5 nm/20 nm）通过中频等离子体辅助磁控溅射（Leybold Optics HELIOS Pro XL）在室温沉积。旋转底板（180 rpm）保证均匀性。先溅射Zr层（2000 W，Ar），后在O₂等离子体中氧化形成化学计量ZrO₂层。暂时关闭O₂流量20 s在中间形成缺氧ZrO₂₋ₓ层。结构表征用掠入射XRD（θ=1°）、XPS（Al-Kα）、TEM（JEOL 2100/ARM200F）配合ADF成像和EDX映射。

器件制备包括TiN底电极（200 nm，N₂反应溅射）、图案化SiO₂隔离层、三层切换堆叠和TiN顶电极（200 nm）。电学测试用Keithley 4200系统；电压扫描速率0.5 V s⁻¹，顶电极施加偏压。

结果与讨论

三层薄膜XRD显示28.2°和29.8°峰值，对应单斜和四方ZrO₂相，确认化学计量和缺氧层共存[34]。XPS深度剖析揭示中心ZrO₂₋ₓ层，TiN/ZrO₂界面有TiOₓNᵧ互扩散，充当氧储库[38-39]。TEM/ADF成像确认层状结构和界面TiOₓNᵧ层存在。

电学测量（图4）显示负偏压下两步成型过程（I_CC=1 mA），指示两外层ZrO₂顺序形成丝。器件随后在界面模式运行：RESET电流逐渐下降，HRS和LRS电流随电极面积缩放，确认非丝型导电[12]。SET过程展现自顺应，无需外部限流[29-30]。

施加更大负偏压配合20 mA顺应触发二次成型（图5a），形成贯穿三层的连续丝。器件转入丝型模式，表现为尖锐SET/RESET跃变和明显电阻分布（图5b）。两模式均遵循陷阱限制空间电荷限制电流（SCLC）模型，但丝型LRS额外显示Child定律区域，指示陷阱介导导电[40-43]。

对比单层40 nm ZrO₂器件（图6）确认界面切换需要嵌入ZrO₂₋ₓ层；单层器件仅表现丝型行为。三层结构因此实现观测到的双模式操作。

切换机制见图7：成型时氧离子向底电极迁移，生成两弱丝和低电阻态。正偏压拉回离子，氧化ZrO₂₋ₓ层升高电阻。二次成型形成强丝绕过ZrO₂₋ₓ层，切换至丝型模式。

界面模式下，通过调节RESET电压可存储多个电阻等级（图8a）。100次循环测试（图8b）显示可复现切换，凸显此多态存储方法的可靠性。

结论

我们演示了一种ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂三层RRAM，可在界面和丝型模式间可控转换。嵌入ZrO₂₋ₓ层对界面切换至关重要，而两弱丝形成的固有串联电阻实现无顺应操作。通过调节RESET电压，器件实现稳定多态电阻，定位为下一代高性能非易失性存储器的有力候选。

缩略语

ADF-STEM:

环形暗场扫描透射电镜

EDX:

能量色散X射线光谱

HRS:

高电阻态

IRS:

中间电阻态

LRS:

低电阻态

RRAM:

阻变随机存取存储器

SCLC:

空间电荷限制电流

XPS:

X射线光电子能谱

XRD:

X射线衍射