电极材料对NbOx Mott忆阻器稳定性的影响

赵淑景, 任文君, 方胜利, 刘卫华, 李昕, 王小力, 杨世强, 韩传余

(1. 西安交通大学微电子学院, 710049, 西安; 2. 西安交通大学体育中心, 710049, 西安)

随着大数据时代的到来,数据量呈指数式快速增长,由此带来了巨大的计算需求。与此同时,传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺发展却受到了后摩尔时代工艺瓶颈的限制。此外,基于冯·诺伊曼体系的计算架构需要频繁地在存储器和处理器之间交换数据,由此带来了功耗大和延迟时间长的问题。这些都将阻碍大数据时代的快速发展,难以满足未来人工智能对高算力的需求[1],因此亟需寻找新材料、新器件、新架构来突破传统冯·诺伊曼架构面临的瓶颈问题,从而可以更快、更高效地处理海量数据。

以脉冲为信息传输、处理载体的生物脉冲神经网络可以高效、并行地完成大规模数据的处理任务。生物神经系统的基本单元是数以亿计的突触和神经元,受生物神经系统结构和功能的启发,构建出基于电子突触和神经元的脉冲型神经形态计算架构被认为是延续摩尔定律和打破冯·诺伊曼架构瓶颈,实现高效计算的有效途径[1-4]。为了在硬件上实现脉冲型神经形态计算架构,电子脉冲神经元是必不可少的。由于缺乏丰富的非线性行为,传统CMOS工艺实现单电子神经元功能需要几十个晶体管,并且电路结构复杂不利大规模集成[5-7]。兼容CMOS工艺、开关速度快、功耗低、微缩性好的忆阻器是构建电子神经元最具有潜力的候选器件[8-14]。

采用Mott材料作为阻变层的忆阻器称为Mott忆阻器。由于Mott材料独具特色的阈值阻变(TS)行为,在合适的电流或者电压驱动下,单个Mott器件便可输出振荡脉冲,表现出脉冲人工神经元的特性[15-21]。作为Mott材料的典型,NbOx引起了研究者们的广泛兴趣,以阻性随机存取器(RRAM)为人工突触,以NbOxMott忆阻器为人工神经元的神经形态计算架构被相继提出[9,22-23]。虽然NbOx的相变温度高达1 073 K,克服了VO2等Mott材料容易受到环境温度影响的问题[24],但是目前已报道的NbOxMott忆阻器仍存在电学性能不稳定的问题。Chen 等[25]报道了NbOxMott忆阻器的阈值电压呈高斯分布,500次扫描过程中阈值电压在0.975～1.275 V之间跳变。Zhao等[26]发现Pt/NbOx/TiN结构的忆阻器TS稳定性极差,而用Ru取代TiN作为底电极,TS稳定性显著提升,但器件间的均匀性较差。Luo等[27]报道了具有优异的TS稳定性以及高耐久性的NbOxMott忆阻器,是良好的选通管器件,但是该器件振荡频率以及振荡幅值稳定性差,严重限制了其在人工神经元领域的实际应用。因此,提高忆阻器的稳定性和优化均匀性对促进NbOxMott忆阻器的神经形态应用至关重要。

为了改善NbOxMott忆阻器的稳定性和均匀性,本文对比研究了W、Pt电极材料对NbOxMott忆阻器的稳定性影响,发现采用W电极可以大幅提升NbOxMott忆阻器的阈值阻变稳定性,从而大幅度提升了基于NbOxMott忆阻器的人工脉冲神经元的振荡频率稳定性和器件间的一致性。明确了电极材料对器件一致性和稳定性产生影响的主要机制,这为基于NbOxMott忆阻器的神经形态计算架构的硬件实现打下坚实基础。

1 实验方法及研究方案

1.1 器件制备

通孔型NbOxMott忆阻器结构如图1所示。器件的制备工艺流程如下:首先,在Si、SiO2衬底上采用剥离工艺和射频磁控溅射法沉积10 nmTi、80 nm Pt/W作为底电极(BE);其次,采用剥离工艺制作出10 μm通孔区域,射频磁控溅射法沉积30 nm的隔离层(Al2O3);然后,采取反应溅射法在Ar、O2的气体通量分别为24、1 mL/min的溅射氛围中溅射Nb靶材来沉积50 nm的NbOx作为阻变层;最后,使用剥离工艺在阻变层上溅射制备50 nm Nb、80 nm Pt层作为顶电极(TE)。为了便于描述,文中将采用Pt作为底电极的器件即Ti/Pt/NbOx/Nb/Pt命名为PNNP器件,将采用W作为底电极的器件即Ti/W/NbOx/Nb/Pt命名为WNNP器件。

1.2 测试方法

利用Agilent 4155C 半导体参数分析仪对所制备的NbOxMott忆阻器进行电学特性表征,利用PicoScope 4444示波器来记录振荡信号。如图1(a)所示,测试过程中顶电极施加电压偏置,底电极接地。所有的测试都在室温、空气氛围中进行。

2 结果与讨论

2.1 NbOx Mott忆阻器的阈值阻变特性

为使器件具备TS特性,制备完成的NbOxMott忆阻器通常需要一个电成形激活过程,如图2所示。图2(a)、(c)分别为PNNP、WNNP器件的电成形过程,其中扫描电压V=7 V,限制电流Icc=5 mA,PNNP、WNNP器件分别在约4.3、4.9 V被激活。图2(b)、(d)分别给出了10个PNNP、WNNP器件的形成电压Vf分布图。通过对比可以看出:PNNP器件的Vf分布比较随机,在3.5～6.5 V的大范围内波动;WNNP器件形成过程更加一致,Vf分布在4.9～5.1 V范围内。这极有可能是因为Pt晶界对空气和NbOx层中的氧吸附、扩散作用明显[28-30],导致Pt、NbOx界面处的氧空位跳变,从而使得PNNP器件的Vf具有较大的分布范围。此外,相比于PNNP器件,WNNP器件被电激活时,对应的电流更小、功耗更低。激活后两种Mott忆阻器均表现出良好的TS特性,如图3所示。当施加电压达到器件的阈值电压Vth时,器件由高阻态(HRS)跳变为低阻态(LRS)。同时,当扫描电压减小到器件保持电压Vhold时,器件的电阻再次由LRS跳变回HRS。

(a)PNNP的电激活过程

图3 PNNP和WNNP器件的阈值阻变特性

为了研究器件的TS稳定性以及器件间的一致性,各随机取10个PNNP、WNNP器件,使用正向电压扫描100次。图4为PNNP、WNNP器件100次正向电压过程中的Vth、Vhold的统计分布图,其中箱体表示25%～75%的分布。如图4(a)所示,部分PNNP器件在未扫描到100次便发生了硬击穿,器件失效(由图中橙色的“×”表示),可以扫描100次的PNNP器件稳定性较差,器件Vth、Vhold漂移严重。如图4(b)所示,WNNP器件均可以完成100次的电压扫描,且扫描过程中TS特性相对稳定。Vth、Vhold漂移量小,回滞窗口几乎保持不变,器件的Vth分布在3.5 V左右,Vhold分布在1.8 V左右。综上所述,相比于PNNP器件,WNNP器件的TS稳定性及器件间的一致性更好。

(a)PNNP器件

2.2 基于NbOx Mott忆阻器的人工脉冲神经元的振荡特性

得益于NbOxMott忆阻器优异的易失性TS特性,NbOxMott忆阻器已经成为人工脉冲神经元的有力候选器件。利用NbOxMott忆阻器RM本身的寄生电容(或者并联一个电容),在电流源Iin的驱动下便可以在输出端Vout获得稳定的振荡电压脉冲,从而实现电子脉冲神经元的功能,NbOxMott忆阻器的振荡特性如图5所示。其工作机理如下:初始RM处于HRS,在Iin的作用下,电容Cp开始被充电,施加在RM两端的电压逐渐增大;当RM上的电压达到Vth时,RM由HRS转变为LRS;与此同时,Cp上的电荷通过RM开始释放,施加在RM两端的电压逐渐降低,Vout端输出一个电压脉冲;Cp放电使得施加在RM两端的电压逐渐下降,当电压下降到Vhold时,RM由LRS转变回HRS。此时,Cp继续被充电。由此往复,便会在Vout端源源不断的输出电压脉冲信号。从图5(a)可以看出,输出的电压脉冲信号受到Iin、Cp的调控。为了更加准确地表征出PNNP、WNNP器件的振荡特性,采用统一的输入电流500 μA和器件本身的寄生电容进行测试。图5(b)为截取的两种器件的人工脉冲神经元输出的振荡脉冲信号,可以看出,基于WNNP器件的人工脉冲神经元输出的振荡脉冲信号非常稳定,振荡电压幅值不随时间而变化,但是基于PNNP器件的人工脉冲神经元输出的振荡脉冲信号波动大、稳定性差。图5(c)为短时间内两种人工脉冲神经元输出的振荡脉冲信号的频率随时间的变化关系,可以看出,在10 min的测试时间内,基于WNNP器件的人工脉冲神经元至少工作了3×108次,并且输出的脉冲振荡频率非常稳定。但是,基于PNNP器件的人工脉冲神经元输出的振荡脉冲信号的频率具有很大的波动。

(a)电流源驱动振荡电路图

忆阻器的稳定性包含短期稳定性及长期稳定性,NbOxMott忆阻器长期稳定性测试如图6所示。采用图6(a)所示的电压源驱动型振荡电路图对WNNP器件进行长期稳定性测试。输入电压源Vin=3 V,串联电阻Rs=15 kΩ,并联电容Cp=1 nF,器件可以稳定振荡时间超过106s,器件的耐久性大于1012次。图6(c)为WNNP器件放置6个月后的振荡特性,在电流源的驱动下亦可以稳定振荡。但是PNNP器件已经无法工作。综上,基于WNNP器件的人工脉冲神经元无论在振荡波形的稳定性还是在长时间测试的频率稳定性上都远好于基于PNNP器件的人工脉冲神经元。代表性NbOxMott忆阻器的振荡特性对比如表1所示,可知WNNP器件在循环耐久性以及长期稳定性方面有明显的优势。

表1 代表性NbOx Mott忆阻器的振荡特性对比

(a)电压源驱动振荡电路图

2.3 稳定性提升的物理机制

为了研究WNNP器件稳定性提升的物理机制,采用与WNNP忆阻器相同制备工艺在Si衬底上制备出了W/NbOx薄膜。利用XPS深度分析法表征样品不同位置的元素比,结果如图7所示,可知W/NbOx界面存在WOx层。因此,WNNP器件相对于PNNP器件性能大幅提升的原因极有可能是生成了致密的WOx。

图7 W/NbOx样品的XPS深度分析

两种器件稳定性提升的物理机制示意图如图8所示。WNNP器件由于在W/NbOx界面生成的致密的氧化层,在后续的电压扫描或者振荡测试中,可以阻挡NbOx层中的氧空位向外扩散,保持NbOx层中稳定的Nb、O元素比例。但是,Pt电极层存在大量晶界且对氧空位有较强的吸附作用[28-30],因此NbOx层在电激活和阈值阻变过程中会发生氧空位跳动。由于NbOx的电学特性极易受到Nb、O元素比例的调制,比例越稳定,器件的性能就越稳定。因此,相对于PNNP器件,WNNP器件在后续的电压扫描或振荡测试中均更加稳定。而对于PNNP器件,顶电极施加正向电压时,氧空位向底电极移动,Pt作为底电极,导致氧空位易从Pt晶界逸出[30],从而改变了界面处NbOx的Nb、O元素比例,降低了PNNP器件阈值阻变的稳定性。

图8 器件稳定性提升的物理机制示意图

3 结 论

本文制备了Ti/Pt/NbOx/Nb/Pt和Ti/W/NbOx/Nb/Pt结构的Mott 忆阻器,对比研究了电极材料对器件稳定性和一致性的影响。通过测试两种器件在电压扫描下的稳定性以及基于两种器件搭建的人工脉冲神经元的振荡稳定性,研究发现电极材料对NbOxMott忆阻器稳定性具有显著的影响。相比于常见报道的Pt电极,W电极的NbOxMott忆阻器具有更好的稳定性和一致性,从而使得基于W电极NbOxMott忆阻器的人工脉冲神经元具有更好的振荡幅度及频率稳定性,器件可以稳定振荡时间超过106s,耐久性大于1012次。这主要是因为在W和NbOx界面生成一层致密的WOx层,阻挡了NbOx材料中氧空位的迁移,所以相对于Pt电极器件在电学特性上表现得更加稳定。