基于氧化鉭和氧化鉿阻變存儲器的基礎研究.pdf

1、目前，主流的不揮發(fā)存儲器 Flash是基于“浮柵”中的電荷存儲來實現信息的存儲?！案拧钡暮穸冉咏锢順O限，因為厚度太小難以實現存儲電荷，但減小器件的尺寸是不揮發(fā)存儲器的發(fā)展趨勢；此外，Flash存在操作電壓高、擦寫速度慢等不足。因而限制了 Flash的應用和發(fā)展。因此，一些新型不揮發(fā)存儲器（如磁存儲器（MRAM）、相變存儲器（PRAM）、鐵電存儲器（FRAM）以及阻變存儲器（RRAM））受到了廣泛關注。在這些新型不揮發(fā)存儲器中，RRA

2、M具有結構簡單、功耗低、耐久性好、數據保持力好、密度高、編程擦寫速度快、與CMOS工藝兼容等優(yōu)點，因而RRAM發(fā)展前景較大，是下一代不揮發(fā)存儲器的有力競爭者。但RRAM器件在穩(wěn)定性、均勻性、可重復性等方面還有待改善，因此，有必要對RRAM器件進一步的研究。
　　本研究圍繞RRAM器件的上述問題，展開對氧化鉭、氧化鉿RRAM的研究，并以降低器件的寫操作電流、提高器件性能（參數）的穩(wěn)定性和器件均勻性、改善高低電阻比值等作為主要研究目的

3、。主要內容如下：
　　針對氧化鉭 RRAM器件的寫操作電流高，我們通過反應濺射金屬鉭沉積氧化鉭，再利用氧等離子體對氧化鉭表面進行氧化，形成 Ta2O5/TaOx的二層結構器件，以降低相應器件的reset電流(Ireset)。結果表明，Ireset從20mA降至~30μA。采用XPS譜分析了氧化鉭薄膜的成分、元素化學狀態(tài)等的變化。結合 XPS和氧化鉭器件的阻變現象，研究其阻變機理，找出了Ireset大幅降低的本質。結果表明，利用氧等

4、離子氧化改善器件性能是一種簡單而有效的方法。
　　為了改善氧化鉭RRAM器件的穩(wěn)定性、均勻性、高低電阻比值，需要控制filament的形成與斷裂。我們通過改變反應濺射鉭所用的氧分壓及氧等離子體的作用時間，制備氧離子濃度呈梯度分布的三層結構氧化鉭（Ta2O5/TaOy/TaOx，其中TaOy的濺射氧分壓比為30%、35%，TaOx的濺射氧分壓比為20%），并采用合適的鉗制電流（Icc），使器件性能得到了優(yōu)化。經600秒氧化所形成的三

5、層結構器件（Pt/Ta2O5/TaOy/TaOx/Pt,其中TaOy的濺射氧分壓比為35%，TaOx的濺射氧分壓比為20%），在Icc為40μA的情況下，Ireset低至~40μA，高低電阻比值大于20，參數分布最為集中。比較和分析了三層結構器件（Pt/Ta2O5/TaOy/TaOx/Pt）以及二層結構器件（Pt/Ta2O5/TaOx/Pt）的性能。根據阻變材料的XPS和所觀察到的阻變特性，找出器件性能被優(yōu)化的原因。
　　在兩層氧

6、化鉭結構中，控制反應濺射氧化鉭可有效控制filament斷裂與形成及分布，可以改善器件的均勻性、穩(wěn)定性等。適當提高反應濺射溫度有利于控制氧離子分布。因此，我們利用高溫（320℃）反應濺射金屬鉭和氧等離子體對濺射沉積物進一步氧化，制備了氧化鉭器件（Pt/Ta2O5/TaOx/Pt），進一步優(yōu)化器件性能。等離子體作用時間增加至720秒、900秒時，器件的性能較穩(wěn)定、均勻性較高、高低電阻比值可以穩(wěn)定在10以上。利用電壓脈沖測試表明，器件可實現

7、可靠、穩(wěn)定的高低電阻轉換，高低電阻比值也保持在10以上。此外，利用導電原子力顯微鏡觀察了等離子體作用720秒器件的filament形成與斷裂過程，進一步證實了filament的形成與斷裂，引起了高低電阻相互轉變。與室溫濺射并經過等離子體氧化的氧化鉭器件相比，結合高溫濺射和等離子體氧化的氧化鉭器件具有更好的均勻性和穩(wěn)定性等性能。
　　filament斷裂與形成的位置直接影響 RRAM器件的性能。為了觀測氧空位filament斷裂與形