工作条件调控Ag/Ti/SiOx/Au阻变存储器开关电压随机性及其安全熵源潜力

《Transactions on Electrical and Electronic Materials》：Effect of Operating Conditions on Switching Variations in Ag/Ti/SiOx/Au RRAM Devices

　　

本研究制备了Ag/Ti/SiO_x/Au阻变存储器（RRAM）器件，并在不同工作条件下考察其电学特性，以理解其随机性。随着合规电流（compliance current）由250 μA增至1 mA，器件在循环间（cycle-to-cycle）呈现挥发性与非挥发性行为的共存，从而拓宽整体开关电压变异性。该趋势源于挥发性与非挥发性开关中导电细丝（filament）形成与断裂的随机性。此外，该变异性随复位电压（reset voltage）升高而增强。在较高复位电压（?1.5 V）下，增强的电场与焦耳热（Joule heating）使复位操作中的细丝断裂程度大于较低复位偏置条件，且该断裂在循环间变化，因此变异性增加。在5 mA合规电流下采用±1.5 V扫描偏置的组合，似乎是本研究所用器件获得较高开关电压变异性的最佳工作参数。不同电学工作参数下器件的变异性可作为安全应用中的熵源（source of entropy）。

阻变存储器（RRAM）依赖导电细丝的形成与断裂实现电阻切换，其电流-电压特性受材料属性和工作条件影响。细丝形成与断裂具有随机性，导致循环间（cycle-to-cycle，C2C）和器件间（device-to-device，D2D）变异。此类变异从存储器或神经形态计算的可靠性角度看会增加读写编程难度，但也可作为随机数发生器（RNG）和物理不可克隆函数（PUF）等安全应用的熵源。已有研究通过材料工程和工作条件调控随机性，但仍有必要从实验角度定量理解Ag/Ti/SiO_x/Au RRAM在不同电学工作参数下开关电压和电阻变异性的变化。本研究即围绕该问题制备器件并开展电学表征。

关键技术方法：器件为Ag/Ti/SiO_x/Au交叉点RRAM，制备于热氧化p型硅衬底，涉及光刻、电子束蒸发和电感耦合等离子体增强化学气相沉积等。测量时顶电极偏置、底电极接地，在洁净室控温湿条件下使用Agilent B1500A参数分析仪和斜坡电压供给（RVS）进行直流I-V测试，每个器件至少50个循环，改变合规电流（I_CC）和复位停止电压。样本来源为不同时间、不同die上制备的器件；可视检查最终良率约220个，选取81个器件测量；合规电流统计来自两个die上的5个器件，复位电压研究每种条件使用7个器件。

3.1 合规电流（I_CC）的影响
通过不同I_CC下C2C和D2D的I-V测量，研究发现I_CC低于1 mA时器件出现挥发性与非挥发性行为共存，部分扫描无存储窗口，形成过渡区。随着I_CC由250 μA增至1 mA，挥发性事件比例降低，但开关电压变异性并未随I_CC增加而降低。SET事件的绝对离散随I_CC增加而展宽，相对离散并非单调变化，在1 mA时最高；RESET事件在250 μA下显示较大变异，但原文认为这可能受负扫开关事件过少影响而偏斜。累计概率分布进一步显示较高I_CC下开关电压展宽。原文将这一现象归于过渡区内金属离子与氧空位参与细丝形成、焦耳热、随机金属团簇形成及局部结构损伤，细丝稳定性取决于金属离子和氧空位组合，且断裂机制在挥发性和非挥发性之间混合。I_CC升至5 mA时器件呈非挥发性，但SET电压仍有较大变异，可能因负扫后细丝断裂间隙逐循环变化并影响后续SET。由此得出，在C2C呈混合切换时，常规“较高I_CC降低变异”的规律并不适用。

3.2 复位停止电压的影响
在5 mA I_CC下，器件呈稳定双极非挥发性切换，并在不同复位停止电压下比较变异性。对于?0.75 V，初始扫描切换较突然，约70–75个循环后逐渐变为渐变，且不少扫描无存储窗口；SET变异大于RESET，原文解释为正扫幅度为负扫两倍，细丝径向生长较强，而负扫电场和焦耳热不足以使其断裂，残余热偶尔导致突然切换。对于?1 V，SET和RESET均存在变异，复位更可能由细丝断裂而非径向减薄引起，渐变事件较?0.75 V少，相对变异最低。对于?1.5 V，电场和焦耳热更高，导致更大细丝断裂，SET和RESET变异明显增加，切换多为突然；复位电压偏离均值的程度随复位偏置幅值增加。电阻统计显示R_on均值约150 Ω，R_off随复位电压幅值增加，?1.5 V时RESET电阻可从1 kΩ变化至100 GΩ；离群值表明部分循环需更高电压才能SET或未发生SET，可能与细丝完全湮灭有关。电阻变异主要来自间隙形成的离散随机迁移，以及焦耳热和缺陷/空位填充导致的细丝结构无序和逐循环断裂差异。由此得出，5 mA I_CC下±1.5 V扫描是提高器件变异性的最有利工作条件。

讨论与结论：本研究通过制备Ag/Ti/SiO_x/Au RRAM并在不同工作条件下测量，分析了SET与RESET态开关电压及电阻的变异性。原文结论可译为：综上，研究人员制备了Ag/Ti/SiO_x/Au RRAM器件，并在不同工作条件下开展测量，以理解SET和RESET态开关电压与电阻的变异性。在1 mA I_CC以下，器件呈现挥发性与非挥发性切换的组合；该混合切换行为可能归因于部分扫描中细丝因表面积最小化而断裂，而其他扫描中细丝较稳固。就变异性而言，不同I_CC下器件表现出相似变异，这可能源于挥发性向非挥发性切换转变时细丝动力学的差异。研究人员在5 mA I_CC下以不同复位电压研究器件变异。在最低复位电压?0.75 V时，焦耳热和电场可能不足，细丝更多表现为径向尺寸减小；在较高电压幅值（?1 V和?1.5 V）下，电场和焦耳热足以使细丝断裂；?1.5 V的较高停止电压会在器件上产生更多热和更大电场，促进细丝更大断裂，从而在开关电压和电阻上诱导更大变异。5 mA I_CC与±1.5 V扫描的表征参数是获得较高随机性的最佳参数。不同I_CC和复位电压下开关电压与电阻的变异可作为安全应用（如物理不可克隆函数和随机数发生器）的熵源。