金属氧化物阻变存储效应及其机理的研究
目前主流的Flash非挥发性存储器由于自身结构的限制，正面临着尺寸无法继续缩小的瓶颈。因此，探索性能优越的下一代非挥发性存储器成为存储器领域研究重中之重。近年来，一种基于材料在电压激发下阻值发生可逆转变的存储器(RRAM)备受关注，有望成为下一代非挥发性存储器的主导者。RRAM不仅结构简单，而且速度快，密度高，与CMOS结构相兼容。尽管RRAM具有如此多的优点，但目前在工艺参数和阻变机制等方面还有待深入研究。在众多具备阻变特性的材料中，二元金属氧化物因其组份简单，性能稳定等优点一直是研究的热点。二氧化铪(HfO2)是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，近年来在工业界特别是微电子领域引起极度的关注。因此，选用HfO2材料研究阻变存储器技术具有很高的意义和价值。 本文在前人研究成果的基础上，系统研究了HfOx薄膜材料在不同工艺参数下的阻变效应，阻变机制原理和相应的阻变模型。HfOx薄膜由射频溅射沉积在ITO导电玻璃上，通过改变氧分压(10.0％～50.0％)，衬底温度(300K～700K)等工艺参数，研究Al/HfOx/ITO器件的电学性能变化。主要采用的方法有分析电流-电压(I-V)特征曲线，比较高、低阻态电阻比值的大小;分析电容-电压(C-V)特性曲线，比较电容值得变化情况;分析AFM图像，比较薄膜颗粒的大小与平整度等。研究结果表明当氧分压为20％，衬底温度为500K时薄膜器件的电学性能最优，高、低阻态电阻比值可达到103以上。器件的I-V特征曲线表明HfOx薄膜的阻变机制属于空间电荷限制电流(SCLC)效应，通过结构不对称的陷阱捕获和释放电子的过程解释了薄膜材料的电阻值在电压激发下发生可逆变化的现象。直接射频溅射HfO2陶瓷靶材制备的薄膜器件稳定性较差，重复擦写能力弱，原因可能是直接溅射氧化物容易造成薄膜内部存在较多的缺陷和较大的晶界，导致器件的电学性质不稳定。后期采用氧气氛围中反应溅射金属靶材来改善薄膜的稳定性。在单晶硅片(P110)表面上蒸镀ITO电极，氧化锡(SnOx)薄膜沉积在ITO电极之上。经过100多次的连续循坏扫描测试，薄膜器件的阻变效应没有明显的退化，证实了薄膜器件的重复擦写能力得到了提高。在大气中退火过的薄膜器件具有更高的高、低阻态电阻比值，且薄膜的初始状态处于低阻值态，表明大气退火可以改善薄膜器件的质量，提高器件的电学性能。在低温的环境中，薄膜器件的漏电流随着温度的降低而逐渐变小，阈值电压(VSET)随温度的降低而逐渐变大;器件的I-V特性曲线表明氧化锡薄膜器件的阻变机制由导电细丝模型主导。在该模型中，施加外电压于薄膜上，薄膜内的原子发生分解，产生的离子和空位的移动造成薄膜内部的导电通道的形成与断裂。
凝聚态物理;氧化物薄膜;阻变存储;I-V曲线
浙江师范大学
硕士
凝聚态物理
黄仕华
2014
中文
O484.42;O493.5
62
2015-04-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）