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简单氧化物薄膜阻变存储特性研究

2020-12-11阅读(129)

简单氧化物薄膜阻变存储特性研究

论文摘要

微电子产业长久以来一直在寻求一种拥有高存储密度、快速编程、低成本、低能耗的非易失性存储器,即使断开电源后数据仍然能够保存。由于拥有较高的存储密度和低的生产成本,Flash存储器仍是现在市场上非易失性存储器的主流产品,然而Flash存储技术本身存在一些致命弱点如编程速度慢、操作电压高、耐久力较差等。此外,伴随着半导体器件的特征尺寸在2016年减小到22nm以后,基于电荷存储的传统存储技术将走到物理和技术的极限。铁电存储器和磁存储器也受到器件缩放方面的挑战,其中最主要的原因是在越来越小的器件中很难稳定保持住足够多的电子。近来,阻变存储器作为一种新型非易失性存储器受到了人们的广泛关注。阻变存储器具有结构简单、编程速度快、操作电压低、能耗小、密度高和可以3D集成等优点,更为重要的是它基于非电荷存储机制。阻变存储器是一种金属-绝缘层-金属结构的器件,它自身的电阻可以在外界电压信号的调制下实现高、低电阻态之间的相互转变。到目前为止,阻变行为在各种材料中被发现,包括金属氧化物材料、固体电解质材料和有机材料。在众多材料中,简单氧化物由于结构简单、稳定性强和与传统CMOS工艺相兼容等优点成为人们研究的热点。但是,目前此类材料的阻变开关机制仍存在较大争议,这严重阻碍了阻变存储器在未来非易失性存储技术中的应用。在本工作中,我们对简单氧化物薄膜的阻变行为进行了研究,包括单极型和双极型阻变行为。结合实验结果,重点讨论了目前仍存在较大争议的阻变机制,并探索了几种简单氧化物材料应用于阻变存储器的可行性。主要工作成果概括如下：1.首次报道了四氧化三钴薄膜的单极型阻变开关行为。Pt/Co3O4/Pt单元器件在室温下的开关次数超过200次,器件高、低阻态的电阻值比大于5×103,器件高、低阻态的电阻保持16h后没有表现出任何的衰退趋势。器件高阻态的电阻随温度的升高而减小,展现出半导体特性；低阻态的电阻随温度的升高而增大,展现出了金属特性。我们认为非化学计量比（氧含量不足）的钴氧化物组成的导电通道的形成与断裂导致了四氧化三钴薄膜的阻变现象。2.探索了非昌氧化镥薄膜应用于阻变存储器的可行性。我们选择了非晶氧化镥薄膜,其主要原因是伴随着半导体产业的发展,当器件的特征尺寸小于22 nm时,器件的尺寸将接近多晶氧化物晶粒的尺寸。在这种情况下,不同晶粒取向和晶界在各个单元器件中的随机分布会导致不同器件性能的差异,而采用非晶氧化物材料可以有效地免这方面的问题。非晶氧化镥薄膜曾被作为高介电常数栅介质材料的候选材料研究过,与传统的CMOS工艺的兼容性已得到证实。因此,我们选取非晶氧化镥薄膜作为绝缘层,对Pt/Lu2O3/Pt器件的单极型阻变特性进行了研究,获得了较好实验结果：器件高、低阻态的电阻值比大于1×103,编程时间小于30ns,器件经历了300次开关循环和3.2×106s保持后没有表现出任何衰退趋势。3.深入探讨并分析了氧化镥薄膜的阻变开关机制。我们的实验结果表明薄膜中氧离子的迁移在开关过程中起到了非常关键的作用,在非晶氧化物薄膜中排除晶界等因素的影响,我们认为此类器件的阻变行为是导电通道及其附近的氧空位相关的缺陷在器件电阻态转变过程中的分布与重分布导致的。4.在Pt/GaOx/ITO器件和Ti/GaOx/ITO器件中发现了开关方向相反的双极型阻变开关行为。在两种单元器件的制备过程中,通过控制氧化镓薄膜生长过程中的沉积温度和腔内气压,我们有效避免了其它材料实现阻变开关前必须经历的形成过程。经过对比分析,我们认为电场力作用下氧空位的迁移引起Pt/GaOx界面肖特基势垒的变化是Pt/GaOx/ITO器件实现阻变开关的主要原因,而Ti/GaOx界面处的氧化还原反应则是导致Ti/GaOx/ITO器件阻变开关行为的主要原因。我们的实验结果进一步证实了电极与薄膜界面处氧空位的迁移在阻变过程中起到了非常关键的作用。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 非易失性存储器的研究背景
  • 1.1.1 非易失性存储器的定义
  • 1.1.2 非易失性存储器的市场需求
  • 1.2 半导体非易失性存储器的介绍
  • 1.2.1 Flash存储器
  • 1.2.2 铁电存储器（FeRAM）
  • 1.2.3 磁存储器（MRAM）
  • 1.2.4 相变存储器（OUM或PCRAM）
  • 1.2.5 阻变存储器（ReRAM）
  • 1.3 非易失性存储器的总结和展望
  • 1.4 本论文工作的目的、内容和意义
  • 参考文献
  • 第二章 阻变单元器件制备与电学性质表征
  • 2.1 薄膜的制备
  • 2.1.1 薄膜制备工艺简介
  • 2.1.2 脉冲激光沉积系统简介
  • 2.1.3 直流磁控溅射系统简介
  • 2.2 薄膜的表征
  • 2.2.1 薄膜的结晶形态
  • 2.2.2 薄膜的厚度和表面形貌
  • 2.2.3 薄膜的成分分析
  • 2.3 单元器件的制备和电学性能测试
  • 2.3.1 单元器件的制备
  • 2.3.2 器件的电学性能测试
  • 2.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 四氧化三钴薄膜单极型阻变存储特性的研究
  • 3O4薄膜的阻变特性'>3.1. Co3O4薄膜的阻变特性
  • 3O4薄膜的微观结构'>3.1.1 Co3O4薄膜的微观结构
  • 3O4/Pt单元器件的电学性质'>3.1.2 Pt/Co3O4/Pt单元器件的电学性质
  • 3.2 阻变存储器的阻变机制模型简介
  • 3.2.1 导电通道（Filament）模型
  • 3.2.2 空间电荷限制电流效应模型
  • 3.2.3 缺陷能级的电荷俘获和释放模型
  • 3.2.4 普尔-法兰克效应模型
  • 3.2.5 电极限制效应模型
  • 3O4薄膜阻变机理的分析'>3.3 Co3O4薄膜阻变机理的分析
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 非晶氧化镥薄膜单极型阻变存储特性的研究
  • 2O3薄膜的微观结构'>4.1 Lu2O3薄膜的微观结构
  • 2O3/Pt单元器件的电学性质'>4.2 Pt/Lu2O3/Pt单元器件的电学性质
  • 4.2.1 电流-电压特性
  • 4.2.2 开关寿命
  • 4.2.3 开关速度
  • 4.2.4 保持特性
  • 2O3薄膜氧空位能级第一性原理的计算'>4.3 Lu2O3薄膜氧空位能级第一性原理的计算
  • 4.4 阻变机制讨论
  • 4.4.1 形成过程（Forming Process）中的离子迁移
  • 2O3/Pt器件高、低电阻态导电机制的研究'>4.4.2 Pt/Lu2O3/Pt器件高、低电阻态导电机制的研究
  • 2O3/Pt器件低阻态的电阻随温度变化的特性'>4.4.3 Pt/Lu2O3/Pt器件低阻态的电阻随温度变化的特性
  • 2O3/Pt器件阻变机制的讨论'>4.4.4 Pt/Lu2O3/Pt器件阻变机制的讨论
  • 4.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 氧化镓薄膜双极型阻变存储特性的研究
  • 5.1 氧化镓材料的研究背景
  • x薄膜的微观结构'>5.2 GaOx薄膜的微观结构
  • x薄膜的制备条件'>5.2.1 GaOx薄膜的制备条件
  • x薄膜的微观结构'>5.2.2 GaOx薄膜的微观结构
  • x薄膜的光学带隙'>5.2.3 GaOx薄膜的光学带隙
  • x薄膜的电学特性'>5.3 GaOx薄膜的电学特性
  • x/ITO单元器件的电学性质'>5.3.1 Pt/GaOx/ITO单元器件的电学性质
  • x界面势垒的确定'>5.3.2 PgGaOx界面势垒的确定
  • x/ITO单元器件的电学性质'>5.3.3 Ti/GaOx/ITO单元器件的电学性质
  • 5.4 阻变机理分析
  • 5.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 今后工作展望
  • 参考文献
  • 攻读博士期间发表的论文
  • 申请的专利
  • 致谢

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