氧化锆（铪）基阻变存储器性能优化及机理研究

发布时间：2020-08-13 12:52

【摘要】：21世纪,随着大数据时代的到来,信息的处理和存储显得尤为重要。在半导体产业中,存储器占据了半导体市场较大份额。目前,存储器以硅基浮栅型闪存(Flash)为主,但闪存在不断微缩过程中将面临极限,限制了存储产业的发展。近年来,新兴存储器件的研发与制备受到了大量学者的关注,如:相变存储器、铁电存储器、磁阻存储器、阻变存储器。这些存储器技术均有望替代闪存成为下一代的非挥发性存储技术。阻变存储器由于其结构简单、读写速度快、功耗低、尺寸小、易于集成、与CMOS工艺相兼容等优点而被广泛研究。论文首先研究了铂(Pt)惰性电极与氧化铟锡(ITO)活性电极下,TiN/HfO2/ITO与TiNHfO2/Pt器件的性能,结果表明ITO电极下的存储器单元具有自限流的特性,有效降低了器件的操作功耗。在此基础上,实验进一步设计了TiN/HfO2/Si02/ITO双层阻变层器件,操作功耗降低至16 μW。论文重点研究了阻变层氧空位浓度调控对氧化锆基阻变存储器性能的影响。通过在不同气氛下(氩气、氩氮混合气、氩氧混合气)制备TiN/ZrO2/Pt阻变存储器件,发现在氩氮混合氛围下制备的氧化锆阻变层有效掺入8.06%的氮元素,器件具有最好的阻变参数一致性。根据器件导电机理分析,氩氮混合氛围下制备的样品在低阻态传导遵循欧姆机制,高阻态传导遵循肖特基发射机制。结合材料分析,推断认为氮元素掺杂使氧离子聚集在导电细丝尖端附近,所以氧空位导电细丝形成的局域化提升了器件阻变参数的一致性。此外,论文中还利用超临界C02流体处理技术提升了 TiN/HfO2/Ti02/Pt器件性能。结果表明,处理前后器件阻变参数的离散性得到明显改善,同时器件的阻变窗口增大1.5倍。器件的性能提升是由于超临界态的二氧化碳流体携带水分子修复了薄膜中的悬挂键,改善了阻变层薄膜质量且降低了器件的低阻态值。论文最后采用耦合等离子体刻蚀技术对全透明的ITO/Hf:Si02/ITO结构的阻变存储器单元构建高绝缘的HfO2侧壁。结果表明器件的阻变窗口由原来的5倍提升至16倍,且阻变参数的离散性得以改善。综上所述,论文通过对氧化锆(铪)基阻变存储器的电极选择、阻变层氮掺杂和超临界二氧化碳流体处理、氧化铪侧壁构建等方式来优化提升阻变性能并研究了相关机理,这为获得阻变窗口大、耐受性久、阻变参数一致性好的阻变存储技术探求获得实验依据和物理解释,这一研究具有重要的科学意义和应用价值。
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333
【图文】：

１．２．１阻变存储器的基本性能参数逡逑阻变存储器器件是由金属／绝缘层／金属所构成的堆叠结构，其结构概念图如逡逑图１．１中所示。在对ＲＲＡＭ操作前，需要进行激活过程（Ｆｏｒｍｉｎｇ过程）。在该逡逑过程下，器件的阻变层会发生软击穿的现象。为了防止器件被永久击穿需要对器逡逑２逡逑

湖北大学硕士学位论文逦逡逑５）保持特性－－存储器还有一个重要指标就是所存储数据的保存年限，即逡逑保持特性。对于阻变存储器而言则是要求器件的高阻态／低阻态的阻值在８５°Ｃ的逡逑件下至少能保持１０年以上，也就是至少要达到目前Ｆｌａｓｈ存储数据的年限，逡逑才能够满足应用的需求。逡逑６）擦写速度－－如今信息时代的高速发展，对存储的要求也越来越高。不逡逑在容量上要满足需求，同样在速度上也要满足各项指标。擦写速度反映的是存逡逑设备在操作过程中的灵敏度，是衡量器件好坏的一个重要指标。而阻变存储器逡逑擦写速度普遍在纳秒级别，远大于闪存的擦写速度（＞１0＃）。逡逑１．２．２阻变存储器的主要分类逡逑

透射?

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本文编号：2792022