基于多晶ZnO材料的selector器件研究

发布时间：2020-11-02 21:49

　　 在信息存储技术日益发展的今天,存储器成为当代集成电路产业中最重要、最基础的部件之一。存储器的高集成度、较大的存储容量、高读写速度和低功耗等特性要求使它成为现如今集成电路产业发展的重要推动力。市场上各类型的存储器形成百花齐放的局面,Flash存储器走上技术的物理极限后,使革命型的全新非易失性存储器在整个存储产业中起了主导地位。有代表性的非易失性存储器主要有铁电存储器、磁性存储器、相变存储器和阻变存储器。非易失性存储器主要以交叉点阵列结构来存储数据,在高集成度的存储阵列中,各单元之间的串扰问题和功耗问题一直未能得到有效解决。具有非线性的选通器串接在存储单元中避免了高集成度的存储阵列之间串扰和漏电,从而关于选通器的研究收到广大的关注。近年来关于选通器的研究如火如荼,不同工作机理和不同结构的选通器被科研工作者进行研究。而这些选通器的实用性也备受争议,需要在交叉点阵列中与存储器协同实践检验性能的可靠性。非线性是决定选通器器件性能的最重要的参数之一。目前市场上主要有基于相变机理和隧穿机理的选通器器件。选通器的主要结构有MIM、MSI、NPN、NIPIN和MIEC结构。本文主要研究了基于隧穿机理而产生非线性的选通器,在1SIR结构中来改善存储性能和提升集成度。本文主要通过基于密度泛函理论的第一性原理的计算方法,研究了多晶ZnO作选通器材料的可靠性。首先,通过计算发现ZnO晶体不同表面的电学特性各不相同,造成这种现象的原因是晶体的各向异性。其次通过比较所搭建的三种不同多晶模型的电学特性和伏安特性曲线发现,多晶状态下会引入晶界势垒。而晶界势垒是其产生非线性的主要原因,晶界势垒的高低也决定了其非线性和导电性的大小。非线性的强弱决定了其对RRAM器件的整流作用,拥有较高非线性的选通器相应的能够更有效的解决RRAM的串扰漏电等问题。为了使多晶ZnO选通器更好匹配RRAM器件的工作电流,我们在多晶ZnO中掺杂N元素,减小多晶体系的带隙,从而提升器件的导电性。另外,考虑工艺上器件结构,我们在多晶ZnO两端插入不同电极,使其应用在实际工作条件下,也能保持优良的非线性和导电性。我们研究比较了C/多晶ZnO/C、Cu/多晶ZnO/Cu、Zn/多晶ZnO/Zn三种在不同电极条件下的体系电子特性。C电极的插入会引入界面态和界面势垒,界面势垒的存在使非线性增强但工作电流相应减小。Cu电极同样会引入界面势垒,通过加H钝化后界面态消除。由于Cu金属的电势较高,导致远离界面的Cu电势高于ZnO平均电势,从而影响载流子传输。Zn金属电势与ZnO几乎相等,H钝化后完全消除了界面势垒。另外,电极的插入使费米能级上移,导致体系工作电流增大。最后得出Zn/多晶ZnO/Zn器件结构可以有效的解决RRAM的漏电和功耗问题。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

基于多晶ＺｎＯ材料的ｓｅｌｅｃｔｏｒ器件研宄??后ＲＲＡＭ器件的Ｉ－Ｖ曲线。在Ｗ／ＴｉＯｙ／Ｔｉ／ＨｆＯｙ／Ｐｔ结构中ＨｆＯｘ和Ｔｉ界面中会形??成更多的氧空位，可以产生稳定的长丝。两个器件均可通过施加０至＋１．５?Ｖ的正??电压进行置位，而０至－２?Ｖ的负电压可对器件进行复位。在ＴＥ上的正偏压应用??下，由于带正电荷的氧空位的凝聚，来自ＢＥ的电子注入在ＲｅＲＡＭ堆叠中形成??细丝。再次，在ＴＥ上的负偏压下ＢＥ的空穴注入由于氧空位的隔离而导致复位［２２］。??在插入薄的ＴＫ）ｙ隧道势垒层之后，与没有ＴｉＯｙ层的器件相比，ＮＬ提高了约??８００％。非线性提高之后，进而可以控制低电压区域的电流。通过降低低电压下??的漏电流，从从解决ＲＲＡＭ器件的功耗和串扰问题。为了改善ＮＬ，在ＴｉＯｙ层??沉积期间改变厚度和氧浓度。实验分析揭示了?１－Ｖ曲线和工艺条件之间的直接关??系。发现氧化物（ＴｉＯｙ）化学计量的变化对与ＮＬ相关的Ｉ－Ｖ曲线的斜率有影响。??研究中还分析了?ＴｉＯｙ层的厚度对非线性的影响，ＮＬ随着厚度的增加而增加。??

晶界势垒的高度也是影响器件非线性的重要参数之一，也决定多晶器件??的整体性能。??＿??图１－２多晶材料形成的孪生晶界模型图??Ｆｉｇ．?１－２?Ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｔｗｉｎ?ｇｒａｉｎ?ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｍｏｄｅｌ?ｆｏｒｍｅｄ?ｂｙ?ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ?ｍａｔｅｒｉａｌ??虽然现在ＭＩＭ三明治结构的ｓｅｌｅｃｔｏｒ器件工艺己经非常成熟，但是ＭＩＭ结??构还远远满足不了日益成长的ＲＲＡＭ性能的需求，在现今追求低功耗高性能的??科技时代，我们对ｓｅｌｅｃｔｏｒ的整流特性要求越来越高，从而出现了更复杂的结构??－ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒｅｄ?ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，来改善ｓｅｌｅｃｔｏｒ的非线性。现在最流行的多层隧穿行为??结构的有Ｍ／Ｓ－Ｉ－Ｓ／Ｍ、ＮＩＰＩＮ、等新型隧穿结构。新型多层隧穿结构??拥有比ＭＩＭ更优秀的非线性和整流特性，更好的解决ＲＲＡＭ的工作漏电问题和??功耗问题。使存储特性有了质的提高。??Ｐｔ?Ｔａ２０５?ＴａＯｘ?肩＿?Ｐｔ??■?．?？??？?＇?：?Ｖ：??图１－３?Ｐｔ／Ｔａ０ｘ／ＴｉＯ２／ＴａＯｘ／Ｐｔ结构的选通器器件??Ｆｉｇ．?１－３?ｓｅｌｅｃｔｏｒ?ｄｅｖｉｃｅ?ｏｆ?Ｐｔ／Ｔａ０ｘ／Ｔｉ０２／Ｔａ０ｘ／Ｐｔ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??就如?Ｊｉｙｏｎｇ?Ｗｏｏ?教授提出的?Ｐｔ／Ｔａ０ｘ／Ｔｉ０２／Ｔａ０ｘ／Ｐｔ、Ｐｔ／Ｔａ２０５／Ｔａ０ｘ／Ｔｉ０２／Ｐｔ??多层隧穿结构［２５］

ＲＲＡＭ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｗｉｔｈ?ｓｅｌｅｃｔｏｒ?ｄｅｖｉｃｅ，?（ｃ）?Ｉ－Ｖ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ＲＲＡＭ?ｄｅｖｉｃｅ，?（ｄ）?ＩＶ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?１?ＳＩＲ??ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．??如图２－１所示，图（ｃ）为单独ＲＲＡＭ器件的工作伏安特性曲线，ｓｅｔ为置位??８??
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本文编号：2867615