新型金属/氧化物异质纳米结构存储薄膜的生长及其电致电阻变化机制研究

传统硅器件理论与技术的双重极限推动着纳电子器件基础研究的突破与创新，金属-金属氧化物-金属（MOM）异质纳米结构薄膜具有的电致电阻变化行为使其成为未来非挥发性内存器件的重要候选材料。澄清基于此类纳米结构器件的电开关运作机理、探求电阻变化材料与电极材料的最适组合、揭示界面响应规律是器件应用需要解决的关键问题。为此，项目将重点发展新型金属/氧化物异质纳米结构薄膜的制备技术，探索金属氧化物的微结构、金属/氧化物界面结构对电开关行为的影响机制，分析离子迁移与局域氧化还原反应在异质界面处的耦合效应，诠释导电通道形成与断开的物理机制。实验内容包括：MOM异质纳米结构薄膜的可控制备；测试其电开关行为与特征参数；在电开、关两种状态下,分别表征异质MOM结构的阻抗谱、体相与界面处的组织成分演变。这些工作的开展将为微结构、界面关联电开关行为机制的澄清，为新型金属氧化物电阻式存储器件的应用提供科学依据。

项目围绕金属-金属氧化物-金属（MIM）异质纳米结构薄膜的制备及其电致电阻变化性能的表征开展工作，过渡金属氧化物未来非挥发性内存的重要候选材料。项目主要发展了新型金属/氧化物异质纳米结构薄膜的制备技术，探索了金属氧化物的结构、成分分布、金属/氧化物界面结构对电开关行为的影响机制，分析了离子迁移与局域氧化还原反应在异质界面处的耦合效应，对氧化物组编材料中的导电通道的形成与断开的物理机制进行了分析。主要结果如下：.基于阳极氧化技术发展了过渡族金属氧化物纳米结构薄膜(Ta2O5、TiO2薄膜)的制备方法以及基于氧化物异质结构薄膜的RRAM器件的存储特性测试，探讨了薄膜尺寸、器件的设计对电致开关的影响，并对阻变机理进行了分析。如在氧化钽薄膜电化学氧化技术制备的过程中，发现薄膜厚度尺寸、颜色和阳极氧化电势，三者间存在一定关联，对此，我们总结归纳了这一规律并用合理的理论进行解释。采用简单、经济、有效的阳极氧化技术在金属钽、钛表面制备一层具有纳米尺度的均匀的、致密的、非晶态的Ta2O5、TiO2薄膜，利用改变阳极氧化制备工艺条件得到不同颜色的Ta2O5纳米薄膜，通过椭圆偏振仪和光谱光度计得到的薄膜厚度和反射谱，确立了膜厚、颜色、氧化电压三者间的关系，建立了理论模型，证实了颜色变化主要由薄膜厚度调控。通过微探针电接触，连接传统半导体分析仪在正负循环偏压下对氧化物电致电阻变化行为、电开关容忍性、信号比等特征参数进行测试。并研究了介电薄膜厚度、界面电极配置对电开关特征参数的影响，并基于纳米尺度电子、离子与局域氧化还原过程在界面处的耦合效应，分析了异质纳米结构薄膜中电致电阻变化的物理机制。采用不同上电极的金属材料，Ag和W分别进行配置，在Ta2O5非晶薄膜中发现了电极依赖的单极性和双极性两种电致电阻效应，对于活性电极Ag，在偏压作用下银元素会容易在氧化物中扩散，体系的阻值因导电金属通道的生长与断开而改变；惰性金属W做上电极，则主要考虑氧化物中氧空位的定向迁移、高导电率非计量比次氧化物（TaOx）的形成导致体系阻值变化。.这些工作的开展为微结构、界面关联电开关行为机制的澄清，为新型金属氧化物电阻式存储器件的应用提供了可供参考的科学依据。