原子層沉積技術(shù)制備Al2O3基阻變存儲器件及其性能研究.pdf

1、在信息技術(shù)時代，存儲器的制備與性能對于信息的存儲有著重要的意義。阻變存儲器因其擦寫速度快，耐久性高，非破壞性讀取，結(jié)構(gòu)簡單，集成度高等優(yōu)點，成為非易失性存儲器領(lǐng)域的研究熱點。目前，人們已經(jīng)在二元金屬氧化物(ZnO、CuOx、 Al2O3、TiO2)，三元鈣鈦礦氧化物材料(SrTiO3、SrZrO3)，復(fù)雜氧化物，有機材料及固態(tài)電解質(zhì)材料中發(fā)現(xiàn)了阻變存儲性能。其中，二元金屬氧化物因其制備工藝簡單，并與傳統(tǒng)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Compl

2、ementaryMetal-Oxide-Semiconductor, CMOS)工藝兼容而得到人們廣泛的關(guān)注。
　　氧化鋁(Al2O3)因其光學(xué)性能優(yōu)良、機械強度與硬度極高、透明性與絕緣性好等優(yōu)點，在光電領(lǐng)域有著長足的應(yīng)用。通過傳統(tǒng)的物理氣相沉積，人們相繼在基于Al2O3薄膜的器件中發(fā)現(xiàn)了電阻開關(guān)特性。然而，基于原子層沉積法(AtomLayer Deposition，ALD)制備Al2O3薄膜器件還相對較少，與其他薄膜沉積方法相比

3、，ALD技術(shù)能夠精確地控制薄膜的組分和厚度。此外，由于ALD制備的Al2O3薄膜較為致密，這些器件雖然具有一定的阻變存儲性能，但往往需要較高的電激活電壓(forming voltage，VF)，這不僅需要較高的能耗，也對器件安全造成了很大的威脅，比如擦寫不夠穩(wěn)定，容易擊穿等等。
　　本論文通過利用原子層沉積的方法，制備出具有電阻開關(guān)特型的Al2O3薄膜基阻變存儲器，探索了退火工藝對Al2O3薄膜電阻開關(guān)特性的影響，并創(chuàng)造性地在AL

4、D制備過程中結(jié)合摻Zn和原位等離子氫處理的手段，實現(xiàn)Al2O3薄膜的免激活(forming free)性能，從而大大提高其穩(wěn)定性和耐久性。主要研究成果如下:
　?。ㄒ唬┨剿髁薃l2O3薄膜基阻變存儲器件的制備工藝，制備出具有電阻開關(guān)特性的Ti/Al2O3/Pt器件;并利用退火工藝成功降低了薄膜的VF。通過原子層沉積法在Pt底電極上制備了Al2O3薄膜，利用電子束蒸發(fā)法結(jié)合掩膜板制備了Ti頂電極，確定了最佳的器件制備工藝。結(jié)果表明，

5、ALD制備的Al2O3薄膜表面光滑，表面粗糙度（Rms）僅為0.852nm。制得的Ti/Al2O3/Pt器件具有典型的雙極性電阻開關(guān)特性，VF為7.5V，SET電壓及RESET電壓分別為1.5V和-1.2V，高低阻態(tài)比為102-103左右。器件的阻變機理與氧空位形成的導(dǎo)電絲(Conductive導(dǎo)電絲s，CFs)有關(guān)，其導(dǎo)電機理為空間電荷限制電流(space-charge-limited current，SCLC)機制。對Al2O3薄膜

6、退火后，薄膜的導(dǎo)電性提高，Ti/Annealing Al2O3/Pt器件的VF降低為4.5V。
　?。ǘ┓謩e通過Zn摻雜和原位氫等離子體處理實現(xiàn)了Ti/Al2O3/Pt器件的forming free性能，并提高了器件的穩(wěn)定性。在ALD生長時分別控制Al2O3和ZnO的循環(huán)數(shù)進行定量Zn摻雜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在n(Al)∶ n(Zn)=29時，VF降到了3.95V;而n(Al)∶ n(Zn)=19時，VF降到了2.58V，當(dāng)n(Al)∶