基于Keithley 4200A-SCS的存储器量子效应教学实验设计.pdf

22 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 Research and Design 研究与设计摘要：阐述基于Keithley 4200A-SCS半导体参数分析仪的探究性实验的设计，包括样品的准备、Keithley 4200A-SCS电学特性测试、结果分析与讨论，根据电学测试结果与半导体量子器件的物理知识，定量给出了存储器中的工作电流与电压的关系。该实验有助于加深学生对RRAM工作机制的理解，锻炼学生的实践水平和探索能力。关键词：阻变式存储器，量子效应，Keithley 4200A-SCS，探索性实验。中图分类号：TN40-4，TN60，TP333 文章编号：1674-2583(2023)10-0022-04DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.10.008文献引用格式：连晓娟，王磊.基于Keithley 4200A-SCS的存储器量子效应教学实验设计J.集成电路应用,2023,40(10):22-25.基于Keithley 4200A-SCS的存储器量子效应教学实验设计连晓娟，王磊（南京邮电大学 集成电路科学与工程学院（产教融合学院），江苏 210031）Abstract This paper expounds the design of an exploratory experiment based on Keithley 4200A-SCS semiconductor parameter analyzer,including the sample preparation,Keithley 4200A-SCS electrical test,results and discussion.Further,according to the electrical test results and the physics knowledge of semiconductor quantum devices,the relationship between the working current and voltage in the RRAM device is given quantitatively.This experiment is helpful for student to understand the working mechanism of RRAM device,improve their practical level and exploration ability.Index Terms resistive random-access memories,quantum effects,Keithley 4200A-SCS,exploratory experiment.Design of Teaching Experiment for Study on Quantum Effects of Memory Device by Using Keithley 4200A-SCSLIAN Xiaojuan,WANG Lei(College of Integrated Circuit Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Jiangsu 210031,China.)基金项目：国家自然科学基金（61804079，61964012），射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室开放课题（KFJJ20200102）。作者简介：连晓娟，南京邮电大学集成电路科学与工程学院（产教融合学院），副教授，博士；研究方向：纳米电子材料与器件。王磊，南京邮电大学集成电路科学与工程学院（产教融合学院），教授，博士；研究方向：集成电路。收稿日期：2023-06-20；修回日期：2023-09-22。力以及创新能力。近年来，随着半导体参数分析仪Keithley 4200A-SCS功能的逐步完善，能够在不破坏存储器结构的情况下，通过在存储器上施加不同的测试条件，获得RRAM在不同状态下的电流-电压（I-V）特性曲线。该实验设计能够更好地理解存储器的工作原理，适合集成电路专业本科阶段的实验教学需要。1 研究背景RRAM的电阻转变主要来源于阻变层内离子和电子的共同作用11。电子负责导电，离子可以改变器件的内部状态，从而引入存储效应。在本实验中，电阻转变特性可以量化为纳米尺度的导电细丝的形成和熔断，当导电细丝只有一根时，存储器0 引言阻变式存储器（RRAM）由于其非易失性、良好的可扩展性、快速开关速度、长循环特性以及易于与互补金属氧化物半导体（CMOS）处理线后端集成而成为新型信息存储器件的候选者1-6。RRAM具有简单的三明治结构（金属/氧化物/金属），其电阻转变特性通常是基于纳米尺度的导电细丝（CF）的创建和熔断7-10。当导电细丝形成时，存储器处于低电阻态；而当导电细丝熔断后，存储器处于高电阻态。在集成电路的本科教学中，为了让学生更清楚地了解学科发展的最新动态，加深对未来信息存储器件的系统认知，本专业设计并开展了相应的探索性的实验教学，可以很好地锻炼学生的探索能 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 23Research and Design 研究与设计会表现出量子电导（G02e2/h）特性12,13。它是影响存储器开关次数的关键因素，可以反向指导我们在实验设计中避开量子效应的影响而获得较高的开关次数，也可以利用量子电导效应获得多个电阻态，实现多级存储。半导体参数分析仪Keithley 4200A-SCS能够在不破坏存储器存储特性的情况下，通过不同的测试手段，可以获得存储器在不同测试条件下的I-V特性，进一步研究存储器中存在的量子效应。最后，根据半导体量子器件的物理知识建立量子点接触模型（QPC），可以获知存储器中电流与电压的定量关系。2 实验 2.1 实验仪器与试样准备本实验中，我们选用的半导体参数分析仪是Keithley 4200A-SCS，手动探针台是Cascade Microtech。RRAM的试样结构为铂金/氧化铪/铂金（Pt/HfO2/Pt），其中单元器件的面积为2.5 m2。试样结构的制备过程为：（1）通过物理气相沉积（PVD）法在硅衬底上沉积100nm的金属底电极Pt；（2）采用原子层沉积（ALD）法在350的条件下沉积10nm厚的HfO2；（3）在HfO2层上面通过PVD和蚀刻法继续沉积一层100nm厚的金属顶电极Pt。这里，金属电极和氧化物的沉积工艺是高校集成电路工艺实验课程的主要学习内容，制备工艺需熟练掌握。因此，本实验可作为集成电路工艺实验课的后续内容进行教学安排。学生在进行实验操作之前，需了解RRAM的工作原理以及半导体参数分析仪Keithley 4200A-SCS的测试原理。图1给出了本实验设计的测试示意图及操作流程图。2.2 三种电学测试分析方法在RRAM器件量子效应研究的实验设计过程中，我们首先在开启（SET）操作中设置一个1mA的限流，以避免氧化铪完全击穿。在重置（RESET）过程中，可以采用三种不同的电学测试方法，分别为斜坡电压扫描法（RVS）、连续电压扫描法（SVS）和恒定电压（CVS）。斜坡电压扫描法是把线性斜坡电压添加到存储器上，直至电压软击穿氧化层达到所设置的限流水平，其操作原理如图2所示。在本实验中，我们设置开启和重置过程中的电压扫描步长均为0.02V。连续电压扫描法是连续增加最大的扫描电压值来观察器件中电导的改变情况，直到观察到器件状态从高电导状态变化到量子态，再进一步降到更低的电导状态。基于本实验试样的样品厚度及工艺，这里我们选择从最大扫描电压为0.3V开始扫描。恒定电压是给定一个恒定电压去观察器件电导随时间的变化。该测试方法模拟了实际存储器应用中所需的高电压脉冲诱导的快速复位（纳秒级）。然而，实验中考虑的应力电压要小得多，相关的重置时间则更长（以数百秒为单位）。在CVS条件下，重置跃迁被记录为电流（或电导）在时间演化中的突然下降。作为探索性实验，学生可自主选择测试方法以及测试过程中需设置的电学参数，来比较研究RRAM在不同的测试条件下的量子效应现象。3 结果与讨论图3（a）为RVS测试法Pt/HfO2/Pt单元器件上125个连续循环的I-V特性。在某些循环中，这种电流下降大到足以直接到达高阻态。在其他情况下，下降要小得多，随后是更渐进的CF电导降低。当复位过程结束时，观察到两组明确定义的电导状态，一组略高于量子电导G0，另一组低于0.1G0。图3（b）为SVS测试法下Pt/HfO2/Pt单元器件的I-V特性曲线。实验中，通过增加最大的扫描电压进行了10次连续扫描，器件电导首先由初始的130G0降低到5G0，然后在最后一次的电压扫描下，存储器的导电细丝熔断，电导突然降低了几个数量级，进一图2 斜坡电压扫描法的操作原理图图1 本实验设计示意图及操作流程图24 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 Research and Design 研究与设计为了进一步定量地研究RRAM中的量子效应，下面根据半导体量子器件物理知识建立了存储器中电流与电压的定量关系。假设RRAM中的导电细丝结构是一个准一维的电子态系统，根据兰道尔传输法（Landauer transmission approach）可建立量子点接触模型（QPC），该模型中导电细丝最狭窄部分的面积决定传输可用子带的能量14。根据兰道尔传输方法，可以计算出流过有N个氧空位构成的导电路径的电流为式（1）所示15。（1）其中，E为能量，T(E)为传输概率，f为费米-狄拉克分布函数，E和h为电荷和普朗克常数，V为外加电压，是平均的不对称参数(01)。采用格林函数形式和密度泛函理论代码可以计算不同宽度电导细丝的电导12。研究表明，一个氧空位路径可以形成一个量子电导通道（G0）。事实上，在不同的存储器中，并不是所有的氧空位路径都能形成完美的导电通道。每从一个空位路径移去一个氧空位（用一个氧原子代替），就会产生一个势垒，电导会降低到约0.1G0，这种现象已在基于传统氧化物的RRAM中得到验证12,13。假设引入的势垒为抛物线型势垒，可获得的隧穿概率的表达式16,17，T(E)=1+exp-(E-)-1，其中是势垒高度，=tB2h-1(2m*/)1/2与势垒曲率的倒数有关，m*是有效电子质量，tB是在平衡费米能级处的势垒高度。将隧穿概率的表达式T(E)插入方程（1）中,能够获得式（2）。（2）当存储器中的导电细丝完整时，由于没有传输势垒的存在，电导是线性的，式（2）可以转化为式（3）。（3）式（1）式（3）建立了存储器中I-V特性的定量关系，进一步通过I-V特性，可以计算出不同状态下的电导值G=I/V，分析器件中存在的量子效应现象。为了验证理论模型和实验结果的一致性，我们选取了4条不同电导状态下的I-V实验数据，使用方程（2）去拟合实验数据，拟合结果非常好，如图4所示。作为探索性实验，学生可自主选择存储器的器件结构、测试方法以及测试过程中需设置的电学参数（扫描电压、扫描步长、限流、恒压大小等），来研究不同存储器在不同的测试条件下的量子效应现象，该实验可以锻炼学生的实践水平和创新能力。4 结语阻变式存储器是一种非易失性新型信息存储器件，在未来信息存储以及人工智能领域应用广泛。步表明该存储器中存在量子效应的现象。图3（c）是0.58V的CVS重置电压下的电导-时间（G-t）迹线。可以观察到所有测量的复位迹线都以高电导（100G0）开始，在几百秒的时间尺度内，G-t会出现一个或多个突然的下降，这对应于部分复位事件。与我们在RVS和SVS的测试方法中观察到的现象类似，在CVS实验结束时也观察到两组明确定义的电导状态，CF电导要么略高于G0（即处于中间的量子电导态），要么低于量子电导几个数量级。这些特点使得该存储器能够更好地应用于多态存储领域，也验证了利用Keithley 4200A-SCS半导体参数分析仪研究存储器中量子效应的实验设计方法的有效性。（a）（b）（c）图3 三种测试方法下的I-V特性曲线，均很好地揭示了该存储器中量子效应的存在 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 25Research and Design 研究与设计本实验利用Keithley 4200A-SCS半导体参数分析仪在不破坏存储器存储特性的情况下，通过3种不同的测试手段，在Pt/HfO2/Pt存储器中均可以观察到量子效应现象。此外，根据半导体量子器件的物理知识，通过建立量子点接触模型，进一步定量给出了RRAM中工作电流与电压的关系。本实验有助于加深学生对RRAM工作机制的理解，激发学生对半导体器件的学习兴趣，锻炼学生的动手水平和探索能力，具有良好的实践教学效果。参考文献1 PAN F,GAO S,CHEN C,et al.Recent progress in resistive random-access memories:materials,switching mechanisms,and performanceJ.Materials Science and Engineering:R:Reports,2014,83:1-59.2 YIN S,SUN X,YU S,et al.High-throughput in-memory computing for binary deep neural networks with monolithically integrated RRAM and 90nm CMOSJ.IEEE Transactions on Electron Devices,2020,67(10):4185-4192.3 刘森,刘琦.阻变存储器发展现状J.国防科技,2016,37(06):4-8+30.4 王源,贾嵩,甘学温.新一代存储技术:阻变存储器J.北京大学学报(自然科学版),2011,47(03):565-572.5 SHEN Z,ZHAO C,QI Y,et al.Advances of RRAM devices:resistive switching mechanisms,materials and bionic synaptic applicationJ.Nanomaterials,2020,10(8):1437.6 唐大秀,刘金云,王玉欣等.柔性阻变存储器材料研究进展J.材料工程,2020,48(07):81-92.7 STELLARI F,WU E Y,ANDO T,et al.Resistive random access memory filament visualization and characterization using photon emission microscopyJ.IEEE Electron Device Letters,2021,42(6):828-831.8 PETZOLD S,MIRANDA E,SHARATH S U,et al.Analysis and simulation of the multiple resistive switching modes occurring in HfOx-based resistive random-access memories using memdiodes J.Journal of applied physics,2019,125(23):234503.9 ZHANG D,WANG J,WU Q,et al.Exploring the direction-dependency of conductive filament formation and oxygen vacancy migration behaviors in HfO2-based RRAMJ.Physical Chemistry Chemical Physics,2023,25(4):3521-3534.10 CAI C,WEI S,YIN Z,et al.Oxygen vacancy formation and uniformity of conductive filaments in Si-doped Ta2O5 RRAM J.Applied Surface Science,2021,560:149960.11 VENTRA M D,PERSHIN Y V.Memory materials:a unifying descriptionJ.2011,14(12):584-591.12 LIAN X,Cartoixa X,Miranda E,et al.Multi-scale quantum point contact model for filamentary conduction in resistive random access memories devicesJ.Journal of Applied Physics,2014,115(24):244507.1 3 L I A N X,W A N G M,R A O M,e t a l.Characteristics and tra n s p o r t mechanisms of triple switching regimes of TaOx memristorJ.Applied Physics Letters,2017,110(17):173504.14 LIAN X,LONG S,CAGLI C,et al.Quantum point contact model of filamentary conduction in resistive switching memoriesC.2012 13th International Conference on Ultimate Integration on Silicon(ULIS),IEEE,2012:101-104.15 DATTA S.Electronic transport in mesoscopic systemsM.Cambridge university press,1997.16 BUTTIKER M.Quantized transmission of a saddle-point constriction J.Physical Review B,1990,41(11):7906.17 BOGACHEK E N,SCHERBAKOV A G,LANDMAN U.Nonlinear magnetoconductance of nanowiresJ.Physical Review B,1997,56(23):14917.图4 使用QPC模型对四种电导状态下的实验数据进行拟合