氧化鉿薄膜阻變存儲(chǔ)特性及機(jī)理研究.pdf

1、隨著高速信息處理技術(shù)對(duì)存儲(chǔ)器件密度和速度的苛求，當(dāng)前主流的Flash（基于電荷存儲(chǔ)機(jī)理）存儲(chǔ)器特征尺寸正在挑戰(zhàn)物理極限，而同樣具有非揮發(fā)特性的阻變存儲(chǔ)器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸可縮小性好、擦寫速度快、擦寫疲勞特性好等突出優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)器最有利的競(jìng)爭(zhēng)者。尤其是氧化物基阻變存儲(chǔ)器件近年來備受關(guān)注，氧化鉿基RRAM被工業(yè)界所看好，目前各大公司及研究機(jī)構(gòu)均在致力于改善器件性能，已經(jīng)取得較大進(jìn)展，但在某些性能方面仍然亟待提高，如：較

2、高的操作電流、較大的阻變參數(shù)波動(dòng)等。本論文主要對(duì)基于氧化鉿薄膜，研究了不同頂電極及疊層結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能的影響，對(duì)其阻變特性進(jìn)行了測(cè)試及分析，并對(duì)其內(nèi)在的阻變機(jī)理進(jìn)行了探究。
　　論文基于TiN為底電極，采用磁控濺射方法淀積了氧化鉿功能層，對(duì)比了不同頂電極（Ni和Ta）阻變器件并構(gòu)建了不同疊層器件結(jié)構(gòu)單元；器件制作過程中采用XRD、SEM、EDX、AFM等手段對(duì)器件微結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征，并基于高低溫探針臺(tái)采用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀B150

3、0A對(duì)器件的電學(xué)特性進(jìn)行了分析表征，取得了如下進(jìn)展：
　　1、不同頂電極（Ni、Ta）的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：Ni/HfO2/TiN結(jié)構(gòu)阻變單元具有超低功耗雙極性阻變特性，Reset電流可達(dá)100nA；而Ta/HfO2/TiN結(jié)構(gòu)阻變器件的雙極性阻變電學(xué)特性一致性較好。基于I-V數(shù)據(jù)的擬合對(duì)比和電學(xué)溫度關(guān)系對(duì)Ni/HfO2/TiN及Ta/HfO2/TiN結(jié)構(gòu)的阻變機(jī)理進(jìn)行了探索。
　　2、構(gòu)建了HfOx/HfO2和HfO2/BN兩種

4、不同疊層結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器件，研究其阻變性能并探索了其阻變機(jī)理。
　　通過反應(yīng)濺射淀積較薄的HfOx欠氧插入層，制備了Ta/HfOx/HfO2/TiN疊層結(jié)構(gòu)的阻變器件。其中，欠氧層HfOx是作為提供足量氧空位缺陷的氧空位儲(chǔ)氧層，實(shí)現(xiàn)了器件高一致性（Cycle to Cycle和Device to Device）的雙極性阻變特性；同時(shí)，通過調(diào)節(jié)Reset過程中不同的Stop電壓實(shí)現(xiàn)了可控制、穩(wěn)定的、一致性很好的四個(gè)組態(tài)的多值存儲(chǔ)特性；器件

5、的電阻轉(zhuǎn)變機(jī)制為氧空位細(xì)絲的形成和斷裂，低阻態(tài)的電流傳導(dǎo)機(jī)制為歐姆傳導(dǎo)，高阻態(tài)傳導(dǎo)機(jī)制為由缺陷主導(dǎo)的空間電荷限制電流效應(yīng)（SCLC）。
　　通過插入高電阻率、低介電常數(shù)的BN薄膜，制備了Ta/HfO2/BN/TiN疊層結(jié)構(gòu)的雙極性阻變器件，BN薄膜層的插入降低了器件功耗（Reset電流從1mA降到了100μA）；同時(shí)，器件的一致性（Cycle to Cycle）也有一定程度的提高，BN薄膜層起到了阻擋電子注入及流出的作用，導(dǎo)致了較