氧化铪薄膜阻变特性研究

发布时间：2017-04-21 14:20

  本文关键词：氧化铪薄膜阻变特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文将研究RRAM的注意力集中在Hf O2金属氧化物材料上,因为其组份简单且制备工艺与目前的CMOS工艺相兼容。在基于Hf O2材料的阻变存储器中,我们从器件结构等多个角度出发分析了提高器件性能的途径。详细介绍了实验制备过程,研究了不同电学测量方法和材料厚度对数据保持特性和稳定特性的影响。主要开展了基于Hf O2、Ta Ox/Hf O2材料RRAM器件电阻转变特性以及电阻转变机制方面的研究。研究内容如下:为了进一步提升Pt/Hf O2/Pt存储器件性能,以获得较高的均一性和较低电阻率,研究了不同电激活操作电压下对制备的Hf O2薄膜的电学性能的影响,结果发现在负向发orming电压激活后Hf O2薄膜的性能得到了较大提升,并且与理论基础相符合。Pt/Ta Ox/Hf O2/Pt器件是一个多阻态存储器,通过Retention性能测试证实该器件能够稳定的保持三个阻态,所以该器件能够很好的保存“0”、“1”和“2”三个存储值。而且器件的高低电阻之比很大,每次阻态发生跳变时,高阻态电阻值(RHRS)和低阻态电阻值(RLRS)之比都在104倍左右,因此在电路中能够很好的区分各存储状态。并且阻值跳变时的电压相对集中,有利于用一个相对固定的电压值对器件进行读和写。我们认为其阻变机制是由细丝效应和SCLC效应共同作用的。对Ti/Hf Ox/Pt器件的尺寸问题进行了研究,分析了不同厚度的Ti电极对Ti/Hf Ox/Pt器件阻变性能的影响,我们认为由于器件中氧离子与氧空位的移动,使器件中形成细丝而导致器件导通。研究发现当Ti层厚度减小时,打开电压随之降低,但是Ti电极为2nm时,可能全部氧化,导致出现了大量的氧空位,就容易击穿。当Ti电极加厚时,器件表现出了良好的稳定阻变特性,我们认为是由于Ti电极类似一个氧离子库,能够存进足够多的氧离子,所以器件的疲劳特性比较好。
【关键词】：HfOx薄膜 非挥发性阻变存储器 阻变机制 电学特性
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• 英文摘要6-10
• 第1章 引言10-18
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 RRAM技术发展趋势11-13
• 1.3 复杂氧化物13-15
• 1.4 简单氧化物15
• 1.5 简单氧化物中的HfO_2器件15-16
• 1.6 论文的研究内容及意义16-18
• 第2章 器件的制备方法和实验仪器简单介绍18-27
• 2.1 存储器件单元的主要制备步骤18
• 2.2 SiO_2衬底清洗18
• 2.3 下电极制备18-20
• 2.4 电子束蒸发台介绍20-21
• 2.4.1 实验过程20
• 2.4.2 蒸发台设备介绍20-21
• 2.5 离子束溅射介绍21-24
• 2.6 光刻24-26
• 2.6.1 光刻的操作24
• 2.6.2 光刻设备介绍24-26
• 2.7 器件单元性能分析26-27
• 2.7.1 薄膜厚度测试26
• 2.7.2 器件单元电学性能测试26-27
• 第3章 Pt/HfO_2/Pt存储器件的分析27-33
• 3.1 HfO_2存储器件单元的制备27
• 3.2 不同Forming电压极性对开关表现的影响27-31
• 3.3 结论31-33
• 第4章 Pt/TaO_x/HfO_2/Pt结构及阻态表现33-43
• 4.1 多阻态器件的阻态问题研究33
• 4.2 二元氧化物RRAM器件制备工艺及流程33-36
• 4.2.1 二元金属氧化物阻变存储器单元设计34-35
• 4.2.2 薄膜的制备35
• 4.2.3 Pt/TaO_x/HfO_2/Pt阻变存储器工艺流程35-36
• 4.3 Pt/TaO_x/HfO_2/Pt器件阻变机制分析36-39
• 4.4 Pt/TaO_x/HfO_2/Pt器件多阻态的均一性分析39-41
• 4.5 总结41-43
• 第5章 Ti电极厚度对基于HfO_x器件存储性能的影响43-50
• 5.1 研究Ti电极厚度的目的与意义43
• 5.2 实验制备过程的基本步骤与参数43
• 5.3 器件的性能分析43-49
• 5.3.1 厚度为 5nm的Pt/Ti/HfO_x/Pt器件分析43-44
• 5.3.2 Ti层厚度对Pt/Ti/HfO_x/Pt器件阻变特性的影响44-49
• 5.4 结论49-50
• 第6章 总结与展望50-51
• 参考文献51-55
• 致谢55

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本文编号：320544