氧化锌基阻变器件的构建及其开关特性研究

发布时间：2018-05-27 12:34

  本文选题：氧化锌 + 阻变存储器　； 参考：《天津理工大学》2012年硕士论文

【摘要】：近年来，由于存储器的快速发展，鉴于传统非挥发性Flash存储器在集成电路工艺32nm以下时技术节点的发展瓶颈，新型非挥发阻变存储器RRAM以其特征尺寸小、存储单元结构简单、读写速度更快、集成度更高、更低功耗，与现有半导体CMOS工艺相兼容的特点，引起了广泛关注和研究。ZnO以其良好的电学特性成为了阻变存储器的研究对象。 本论文主要研究结构为金属-绝缘体-金属(MIM)的氧化锌基阻变存储单元的构建及其开关特性。采用超高真空磁控溅射法制备ZnO阻变功能层及电极薄膜；并利用原子力显微镜(AFM)，扫描电子显微镜(SEM)，，半导体参数分析仪(SPA)，X射线衍射(XRD)，四探针电阻测试仪，台阶仪等分别对其物理微观结构、电学开关特性进行表征。 具体研究内容及结果如下： 1）本文分析了氧分压、基底温度、薄膜厚度等工艺条件对ZnO薄膜生长及其性能的影响。测试结果表明，在氧分压为60%，200℃条件下生长的ZnO表面形貌与电学特性最佳；ZnO薄膜厚度只影响Forming电压，厚度越大，Forming电压越大，对Set和Reset电压基本不影响。 2）分析了不同电极对于ZnO基阻变存储单元电学开关性能的影响。通过沉积下电极材料Cu、Al、Ag、Au、Pt，并对ZnO基存储单元进行电学测试，以Cu、Au、Pt为下电极时具有可逆的单极阻变特性，原因是三者与ZnO形成了较低的肖特基势垒；由于Ag与ZnO薄膜形成较高的肖特基势垒，观测到双极阻变特性；Al电极没有测试到阻变现象，分析认为是由于Al电极被氧化的原因。浅析了在有效减小上电极尺寸的条件下，明显降低了Reset电流，并且可增大阻变存储单元的高阻态值达106之多，从而提高了RRAM存储单元的稳定性和可靠性。 3）设计并制备了1C1R的RRAM存储单元ZnO/Metal/SiO2/Metal/Substrate，以降低Set与Reset电压来减小RRAM功耗；经电学测试，1C1R结构的RRAM，利用电容在外加正负偏压下，电容本身的充-放电机制，可以有效减小ZnO双极性阻变转换过程中的Set和Reset电压，差值可达0.6V，从而减小了ZnO基存储单元功耗。从降低Reset电流方面，浅析了用来降低功耗的P/N型叠层结构。 总之，本文主要是从制备工艺、电极、设计并制备新型1C1R结构等方面对ZnO基阻变存储单元进行研究。对于ZnO基RRAM的阻变特性及有效降低ZnO基存储单元功耗等方面进行了探索，为下一步非挥发性阻变存储器的研究以及应用奠定了基础。
[Abstract]:In recent years, due to the rapid development of memory, because of the bottleneck of the development of traditional non-volatile Flash memory when the technology node is below 32nm, the new non-volatile resistive memory (RRAM) is characterized by its small size and simple memory cell structure. The characteristics of faster reading and writing, higher integration and lower power consumption, which are compatible with the existing semiconductor CMOS process, have attracted wide attention and research. CMOS has become the research object of resistive memory due to its good electrical properties. In this paper, the construction and switching characteristics of zinc oxide based resistive memory cells with metal-insulator-metal MIM structure are studied. ZnO resistive functional layer and electrode thin film were prepared by ultra-high vacuum magnetron sputtering method, and the atomic force microscope (AFM), scanning electron microscope (SEM), semiconductor parameter analyzer (SPA), X-ray diffraction (XRD) and four-probe resistance tester were used. The physical microstructure and the characteristics of electrical switch were characterized by step meter. The specific contents and results of the study are as follows: 1) the effects of oxygen partial pressure, substrate temperature and film thickness on the growth and properties of ZnO thin films are analyzed. The results show that the best thickness of ZnO films grown at 60 鈩

本文编号：1942102