SiN_x阻变器件的氮离子储蓄区调控研究

发布时间：2020-06-09 15:31

【摘要】：近年来,RRAM器件作为下一代非易失存储器应用的主要候选者已经被广泛地研究。其中基于SiN_x薄膜的RRAM器件凭借超低功耗、高速度、高集成度和与CMOS技术兼容等优势已经成为当下的研究热点。但是对其研究主要还处在机理分析和提升性能的阶段,器件导电细丝的形成与断裂过程还没有明确定论。氮离子储蓄区模型基于氮离子的电化学特性有效地解释了器件的导电过程,本文从金属电极角度出发,研究金属电极对氮离子储蓄区的影响,从而进一步探索SiN_xRRAM器件的导电机理。具体研究内容如下:1、金属顶电极种类对氮离子储蓄区的影响。通过研究分析三种(Ta/SiN_x/Pt、Mo/SiN_x/Pt和Ag/SiN_x/Pt)器件的阻变特性和导电机制,进而构建氮离子储蓄区导电模型。Ta电极与Ag电极器件表现出稳定地双极型开关特性,而Mo电极器件的阻变特性相对较差。Ag电极器件的导电沟道主要与金属阳离子有关,Ta和Mo电极器件的导电沟道与Si悬挂键和氮离子相关,氮离子储蓄区模型适用于导电沟道与氮离子有关的器件。由于Ta电极相比Mo电极活性更强,吸附氮的能力也更强,所以Ta电极器件具有更大的氮离子储蓄区,显出更稳定的阻变特性。因此,金属电极的氮离子储蓄区的大小直接影响了器件的阻变特性,通过使用活性更强的电极可以改善氮离子储蓄区的大小,获得性能更好地器件。2、金属顶电极厚度对氮离子储蓄区的影响。研究两种厚度顶电极(薄电极:8nm、10nm、15nm,厚电极:30nm、40nm、50nm)Ta/SiN_x/Pt器件的阻变特性,厚电极器件具有稳定的双极性开关特性,耐受性和保持特性很好;薄电极器件的阻变特性极不稳定,SET电压、开关窗口随机浮动。通过XRD和AFM分析发现器件电极的晶体结构与薄膜粗糙度并未因厚度改变而明显变化,因此将这种差异归因于氮离子储蓄区的不同。当器件顶电极厚度很薄时,限制了氮离子储蓄区的大小,氮离子在储蓄区处于一种拥挤与不稳定地状态,这导致了沟道形成与断裂更加不稳定,表现出不稳定的阻变特性。由实验结果可以得出,调整金属电极的厚度可以改变氮离子储蓄区的大小。因此通过调整金属电极种类与厚度,都可以调整氮离子储蓄区的状态,从而达到改善器件阻变特性的目的。
【图文】：

的实际截面图。在上下电极施加一定的扫描电压，中间阻变材料的电阻在高阻和低阻两个阻态之间切换，从而实现“0”和“1”的存储。图1.5 典型阻变器件（a）结构示意图（b）截面图阻变存储器依赖于阻变材料的电阻转换效应，自问世以来就不断受到国内外研究机构与企业的密切关注。1976 年 Verderber 和 Simmons 最先发现 SiO 材料的阻变效应[9]。当时由于制备薄膜材料工艺的限制，加上当时 Flash 存储器迅猛发展，阻变存

转换机制和提高单个器件的性能上，具体哪一种材料更具有优势，哪一种材料可以提高器件各方面的性能都有待研究。图2.3 二元氧化物可作为阻变材料的元素2.2.2 钙钛矿氧化物钙钛矿氧化物是最早用于阻变器件的材料，具有独特的物理和化学性质。早期代表的材料有：Pr0.7Ca0.3MnO3（PCMO）、La1-xSrxMnO3（LSMO）[25,26]等。美国休斯敦大学和日本夏普公司是研究这些材料的典型代表。研究发现这种材料具有双极阻变特性，在施加相反极性电压时，电阻可在高低阻态之间来回切换。同属该类材料还有一些三元氧化物：SrZrCb、SrTiO3、BaTiO3和 LiNbO3等，，IBM 公司是研究这些材料的主要代表，他们基于 SrTiO3制作的 RRAM 具有稳定的双极型开关特性，而且具有多值存储的特性。2.2.3 固态电解质材料基于固态电解质材料的 RRAM 是通过金属离子在薄膜中发生电化学反应来控制导电细丝的形成与熔断，从而控制电阻状态的改变。目前报道比较多的是掺入 Cu 或
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP333;TN303

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本文编号：2704888