重离子辐照调控Ta2O5基原子开关阻变层密度及其与开关电压和数据保持性相关性研究

In the face of the challenges of non-volatile resistive switching memory applications, this topic focuses on the design of ultra-low forming and operating voltage Atomic Switch with good data retention. The reported low-voltage Atomic Switches could not solve the trade-off between voltage and data retention well. The trade-off is, when the voltage is reduced, the data retention will be poor and cannot meet the needs of industrial applications. Recently, the applicant's study of a three-terminal Atomic Switch shows that a slight decrease in the density of the switching layer will result in a significant reduction in the turning-on voltage and a significant increase in the size of the conductive filament between the source and the drain electrodes. Here, we want to use the advantages of high energy heavy ion irradiation. The resistive switching layer density can be adjusted with defects or holes generation by irradiation. In this application, the differences of different resistive switching layer density in Atomic Switch will be studied, and the size and stability of the conductive filament will be optimized by the defects or holes across the resistive switching layer. The relationship between the resistive switching layer density and the switching voltage / data retention will be revealed. The results will provides a possibility for the fabrication of ultra-low power Atomic Switchs that are compatible with low voltage CMOS.

面对非挥发性阻变存储器应用所面临的挑战，本课题着眼于设计并制作forming和运行电压低且数据保持性好的原子开关类阻变存储器。已报道的低压两端原子开关由于器件本身原理所限，不能很好解决电压与数据保持性之间的矛盾，当电压减小时，数据保持性变差，因此不能满足工业应用的需求。申请人近期对三端原子开关的研究表明，阻变层密度的减小会导致开启电压的大幅降低及源漏电极之间导电细丝尺寸的明显增加。据此，在本项目中，我们拟尝试采用高能重离子辐照技术，通过重离子辐照在Ta2O5固态电解质阻变层中生成缺陷态或孔洞以调控阻变层密度。研究不同密度阻变层两端原子开关的性质，并利用横跨阻变层的缺陷态或孔洞优化导电细丝的尺寸及稳定性，阐明阻变层密度与开关电压及数据保持性之间的相关性，为开发与低压CMOS技术兼容的新一代超低功耗原子开关阻变存储器提供理论依据和实验数据支撑。

本项目针对阻变层密度与原子开关电压及数据保持性之间的相关性及作用机制，通过设计研究中能重离子辐照调控Ta2O5薄膜密度及其对原子开关器件性能的影响，阐明阻变层的密度与开关电压及数据保持性之间的相关性及影响机制。本项目主要开展了三个方面的研究工作：（1）采用高能重离子辐照的方法，使用能量为125 MeV的Ta5+辐照Cu/Ta2O5/Pt器件，以调控电解质阻变层的密度并制造缺陷或孔隙，降低氧化还原反应的势垒高度，实现大量离子的快速迁移。Ta5+轰击后生成的横跨阻变层的连续缺陷或孔洞可以为导电细丝（CFs）提供优先生长的位置，并增加CFs直径，在降低开关电压的同时改善数据的保持性；在低辐照剂量（1×108 ions/cm2）下，辐照对器件产生的影响几乎可以忽略；在高辐照剂量（1×109 ions/cm2）下，器件的Forming和运行电压显著降低。（2）固态电解质的缺陷态密度与辐照缺陷的相互影响，通过原子层状沉积（ALD）制备缺陷态密度低的Al2O3固态电解质，通过1.5MeV的Ar8+辐照制作的Cu/Al2O3/Pt原子开关器件，比较固体电解质缺陷态密度与辐照产生的缺陷的对器件性能包括高低阻态、保持性、电压分布范围等的影响。辐照前的器件在初始导电细丝形成过程中容易发生硬击穿。辐照后器件的在初始导电细丝形成后具有良好的非易失开关特性，高低阻可以稳定保持到105s，并在2000次的直流电压扫描过程中器件开启电压和高低阻态都相对稳定。在更高的辐照剂量下，辐照后器件的开关电压和低阻态的分布几乎没有发生改变，而器件的截止电阻的分布范围变小。（3）基于辐照获得缺陷对原子开关运行参数随机分布的影响，从而设计从高阻状态（HRS）和低阻状态（LRS）之间转换由CFs的形成/破裂程度控制。在单层器件中，CFs破裂的位置和程度随机性高，导致开关参数一致性差且HRS不稳定。通过SiO2/Ta2O5结构将CFs的断裂控制在超薄Ta2O5层中，降低循环过程中CFs熔解的随机性，制备出了高一致性、稳定性和低压运行的Ag/SiO2/Ta2O5/Pt器件。项目所取得的成果对于设计制作超低开关电压且数据保持稳定的原子开关具有重大的理论意义和实际应用价值。