原子層淀積金屬氧化物阻變存儲(chǔ)器件研究.pdf

1、隨著閃存技術(shù)即將達(dá)到尺寸極限而面臨無(wú)法等比例縮小的問(wèn)題，一種基于材料電阻轉(zhuǎn)變特性的電阻式存儲(chǔ)器(RRAM)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可縮微能力強(qiáng)、高速、高密度、可三維集成以及與CMOS工藝良好的兼容性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被研究者們廣泛關(guān)注。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多具有阻變特性的介質(zhì)薄膜材料，然而在材料選擇、制備工藝，以及器件阻變存儲(chǔ)機(jī)理等方面還有很多問(wèn)題值得探討。為此，本文開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。一方面，用原子層淀積(atomic layer deposition)

2、方法制備了多種具有阻變特性的金屬氧化物介質(zhì)，在材料制備、工藝優(yōu)化、器件阻變存儲(chǔ)特性、阻變微觀機(jī)制上做了系統(tǒng)研究；另一方面，針對(duì)RRAM器件所呈現(xiàn)出的性能不穩(wěn)定，提出了幾種行之有效的優(yōu)化和解決方法。
　　 本文首先研究了近期業(yè)界廣泛關(guān)注的HfO2、La2O3、Nb2O5介質(zhì)材料，系統(tǒng)探索了原子層淀積HfO2、La2O3、Nb2O5三種氧化物的工藝條件，分析了其材料特性，并制備了基于這些材料的可與CMOS工藝兼容的RRAM器件。研究

3、表明：
　　 (1)TiN/Nb2O5/Pt/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的RRAM器件具有較低的操作電壓，set電壓為1.2V，reset電壓為－1.2V；(2)TiN/La2O3/Pt/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的RRAM器件在1.5 V時(shí)可以寫入信號(hào)，－0.6 V電壓下擦除信號(hào)；(3)TiN/HfO2/Pt/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的RRAM器件的set和reset過(guò)程發(fā)生在+3.5 V和-3.5 V；(4)三種RRAM器件均呈現(xiàn)雙極性阻變特性；

4、(5)RRAM器件的on/off開(kāi)關(guān)比分別為50、100、1000，均呈現(xiàn)不錯(cuò)的抗噪聲容限。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了RRAM器件的局部熔絲(filament)導(dǎo)電機(jī)制，發(fā)現(xiàn)熔絲斷裂的位置位于陽(yáng)極附近，并用C-AFM直觀觀測(cè)到RRAM器件導(dǎo)電熔絲的存在。
　　 其次，論文系統(tǒng)研究了ALD摻雜工藝對(duì)金屬氧化物RRAM存儲(chǔ)性能的作用。獨(dú)特的ALD氧化劑設(shè)計(jì)(如H2O2)可以引入過(guò)量氧摻入，使得氧空位與非鍵合氧的復(fù)合主導(dǎo)了金屬氧化物的阻變特性。研究發(fā)

5、現(xiàn)，在HfLaO薄膜中存在大量的非鍵合氧，保證了器件優(yōu)異的阻變特性?；贖fLaO薄膜的RRAM器件的高低阻值比達(dá)到106以上，并在10000次重復(fù)掃描中保持穩(wěn)定。同時(shí)，擦寫速度也達(dá)到10ns。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明La摻入的Hf基金屬氧化物介質(zhì)薄膜具有優(yōu)異的阻變特性，該工藝優(yōu)化的器件在RRAM領(lǐng)域?qū)⒂辛己玫膽?yīng)用前景。深入研究了溫度對(duì)基于HfAlO介質(zhì)材料的RRAM器件的影響。研究發(fā)現(xiàn)RRAM阻變行為與溫度有密切關(guān)系，并且阻變特性能否發(fā)生存在一個(gè)

6、關(guān)鍵溫度值，低于此溫度則阻變特性將會(huì)消失。研究表明，金屬氧化物RRAM的阻變機(jī)制是由受溫度影響的陷阱電荷的狀態(tài)所主導(dǎo)，電流導(dǎo)致的焦耳熱效應(yīng)只起到輔助作用。
　　 論文通過(guò)嵌入Al2O3緩沖層，對(duì)NbAlO材料的RRAM器件性能進(jìn)行了有效優(yōu)化，其擦寫操作可以在很低的電壓(±0.8 V)范圍內(nèi)完成，使得存儲(chǔ)穩(wěn)定性大為提升。其原因是Al2O3材料與NbAlO材料存在較大的介電常數(shù)差異，重構(gòu)了RRAM器件中的電場(chǎng)分布：介電常數(shù)越小的區(qū)域

7、電場(chǎng)強(qiáng)度越大。為了驗(yàn)證這種具有電場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)的疊層結(jié)構(gòu)對(duì)RRAM優(yōu)化的作用，我們?cè)O(shè)計(jì)了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，制備了其它三種具有Al2O3緩沖薄介質(zhì)的疊層結(jié)構(gòu)：TaN/Al2O3/NiO/Al2O3/Pt、TaN/Al2O3/ZnO/Al2O3/Pt以及TaN/Al2O3/Pt。實(shí)驗(yàn)證明用這樣獨(dú)特堆棧結(jié)構(gòu)來(lái)代替單一阻變層能夠增強(qiáng)RRAM器件的穩(wěn)定性。無(wú)論是單極性還是雙極性的RRAM器件，其阻變特性均能夠通過(guò)增加介電常數(shù)相對(duì)小的Al2O3電場(chǎng)調(diào)制層來(lái)進(jìn)

8、行優(yōu)化。疊層結(jié)構(gòu)具有的這種電場(chǎng)調(diào)制的阻變效應(yīng)大大減小了RRAM器件電阻轉(zhuǎn)變過(guò)程中的隨機(jī)性。論文用matlab對(duì)上述結(jié)構(gòu)的RRAM阻變行為進(jìn)行了模擬，得到與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合的阻變電流電壓特性曲線，即具有電場(chǎng)調(diào)節(jié)作用的堆棧阻變層具有更為穩(wěn)定的阻變特性。
　　 非揮發(fā)存儲(chǔ)器件中的多值存儲(chǔ)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海量存儲(chǔ)的有效途徑。研究表明在RRAM器件中，通過(guò)改變set過(guò)程中的鉗制電流幅度(Iset)可以顯著改變電阻值的大小，即可以通過(guò)這種控制se

9、t過(guò)程中的鉗制電流幅度方式有效地實(shí)現(xiàn)器件的多值存儲(chǔ)功能。但是鉗制電流對(duì)低電阻(LRS)值的影響也明顯分成兩個(gè)部分：當(dāng)鉗制電流設(shè)置較大時(shí)，LRS阻值與Iset成線性關(guān)系，Iset越大，LRS越?。划?dāng)Iset<1mA時(shí)，LRS隨電流Iset變化很小，Iset對(duì)LRS調(diào)制作用消失，其原因來(lái)源于測(cè)試設(shè)備的電流過(guò)沖現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。用嵌入金屬納米晶的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬氧化物RRAM阻變特性的優(yōu)化。制備了TaN/Al2O3：RuNCs