NiO阻变器件的制备及其电学特性分析

论文摘要

随着电子产品的发展,人们对于超便携,超低功耗以及高密度快速存储设备的需求日益紧迫。但是随着光刻工艺进入32nm量产,22nm研发的阶段,目前主流的Flash存储已经暴露出来了越来越多的缺陷,迫切需要开发一种适应现在要求的存储技术。阻变存储（RRAM）因其表现的高性能以及结构简单,造价低廉和现代半导体工艺兼容等特点,正在被国内外广泛的研究。本论文从目前RRAM存在的问题出发,使用直流磁控溅射,通过改变氧分压、薄膜厚度和电极类型及厚度,利用XRD、AFM和半导体参数分析仪对NiO薄膜的结构和电学性能进行表征,系统地探讨了NiO阻变机理以及器件操作电压（Reset/Set Voltage）的改善等方面问题,主要研究内容如下:（1）制备过程中氧分压的变化（5%-15%）,对于薄膜的晶格取向,表面粗糙度以及薄膜的沉积速率都有着较大的影响。发现随着氧分压的增加,NiO薄膜的晶向从（200）逐步转变到（220）,表面粗糙度和沉积速率呈现递减趋势。但是在10%的条件下,由于（200）和（220）XRD测试峰的强度具有可比性,导致此时薄膜表面粗糙度突然升高。（2）通过不同电极比较发现Cu电极相对于W、Ni等电极具有更低的功耗,主要原因是由于使用Cu电极时导电细丝的形成是由于在电场的作用下,Cu原子发生氧化还原反应,使得Cu离子在薄膜内部移动形成的。对于W、Ni等电极则是由于热的作用引起的细丝熔断,这就增加了器件的功耗。（3）对于Cu/NiO/Pt结构,发现可以通过减小薄膜的厚度,在保持一定高低阻态比时,降低了器件的操作电压,降低了功耗。（4）讨论了下电极厚度对于器件性能的影响,发现当上电极为Cu时,其对器件性能的影响较小;当上电极为Ni时,其对器件性能的影响较大:在下电极很薄时,器件将无法稳定在低阻态。分析可能是由于底电极过薄导致热量无法及时散去,使得形成的导电细丝处于不稳定状态。（5）讨论了薄膜器件的阻变机理,认为Cu为上电极时,细丝的熔断和复合是由于Cu离子的移动造成的,并且在一定电压下Cu离子在一定的距离内移动。存在典型薄膜厚度（Typical Thickness）,在小于典型厚度时,器件的Reset/Set电压随着厚度的减少而递减。认为对于W、Ni等电极其细丝的断裂主要是由于热积聚造成的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 阻变存储器的基本结构
• 1.3 具有阻变特性的材料体系
• 1.4 阻变的基本机理
• 1.5 NiO 的晶格结构
• 1.6 NiO 薄膜的研究现状
• 1.6.1 目前国内外研究取得的进展
• 1.6.2 目前国内外研究仍然存在的问题
• 1.7 本论文主要研究的内容
• 第二章 NiO 阻变器件的制备和表征
• 2.1 NiO 阻变器件的制备
• 2.1.1 NiO 薄膜的制备方法
• 2.1.2 多功能磁控与离子束联合溅射沉积系统
• 2.1.3 BE/NiO/TE 三明治结构的制备
• 2.2 NiO 薄膜性能表征
• 2.2.1 XRD 分析
• 2.2.2 AFM 分析
• 2.2.3 台阶仪
• 2.3 NiO 薄膜电学性能的表征
• 第三章 NiO 薄膜沉积及微结构分析
• 3.1 NiO 薄膜沉积工艺参数
• 3.2 氧分压对NiO 薄膜晶格结构的影响
• 3.2.1 NiO 薄膜的XRD 分析
• 3.2.2 NiO 薄膜的AFM 分析
• 3.3 氧分压对NiO 薄膜沉积速率的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 NiO 阻变器件的阻变性能及阻变机理探索
• 4.1 NiO 薄膜晶格结构以及厚度对阻变性能的影响
• 4.1.1 晶格结构对阻变性能的影响
• 4.1.2 薄膜厚度对阻变性能的影响
• 4.2 电极对薄膜阻变性能的影响
• 4.2.1 电极材质对阻变性能的影响
• 4.2.2 下电极厚度对阻变性能的影响
• 4.3 NiO 薄膜阻变机理的探索
• 4.4 本章小结
• 第五章 主要结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢