基于铜的二氧化钛固态电解质阻变特性与机理的研究

发布时间：2017-04-30 02:15

  本文关键词：基于铜的二氧化钛固态电解质阻变特性与机理的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着市场对高容量、低功耗、具有快速存储能力的存储器需求的增加，非挥发性存储器（Nonvolatile Memory）在半导体工业中得到了广泛的应用。目前市场主流的非挥发存储器Flash Memory随着工艺技术的提高已经接近其物理极限，因此新型非挥发性存储器的开发需求日益增加。其中阻变存储器（ReRAM）由于其高集成密度、快读写速度（纳秒级）、低功耗及易与CMOS工艺相兼容等优点成为下一代存储器的有力竞争者。在最近几十年里，阻变存储器的研究得到了迅猛的发展，然而到目前为止其阻变机理尚不完全清楚。本论文正是在如此的背景下，侧重于阻变机理的分析，提出新的阻变机制。 本论文实验样品中电极通过电子束蒸发制备，氧化钛薄膜通过磁控溅射制备。阻变机理的分析一方面通过AES，AFM等表征手段获得材料特性，另一方面通过电学测试安捷伦B1500A建立阻变模型。 首先，本论文探讨阻变的发展现状以及相关机理，改善了氧化钛薄膜的制备工艺。从氧分压以及靶基距的角度，，改变不同的条件得到相应的Al/TiOx/Cu结构，获得具有多值存储特性的阻变单元。随后从AES等材料表征手段分析材料特性，从电学特性分析阻变机理，在此基础上第一次提出两种导电细丝（铜导电细丝与氧空位导电细丝）共存的阻变模型。在Reset过程中由于铜导电细丝优先断裂，从而获得Reset1，氧空位导电细丝继而断裂获得Reset2。 其次，为了改善多值特性，后续实验中优化介质层厚度，获得Forming-free，低功耗和多值存储特性的阻变单元。 随后，在之前工作的基础上，用氧化硅层插入到氧化钛和铝上电极之间（即Al/SiO2/TiOx/Cu结构），获得功耗更低的阻变特性。氧化硅层的作用在于避免氧空位区域的形成，减少电子的注入；控制导电细丝形成的数量，从而达到降低功耗的目的。 最后，为了对比离子型阻变与电子型阻变的差异，本文同时制备了Al/TiOx/Cu和Al/TiOx/Al结构，通过对比点与点之间、点内的一致性差异，表明电子型阻变Al/TiOx/Al结构比离子型阻变Al/TiOx/Cu结构的一致性更好。 通过本论文相关的实验，证实氧化钛作为阻变介质层在未来RRAM应用中的可能性。这将有助于研制替代闪存的高性能阻变存储器，同时对阻变存储器的机制研究及其阻变模型的构建，为优化出低功耗，高集成度，高度一致的阻变存储器的研究提供了经验，对RRAM器件的制备以及应用有一定的指导意义。
【关键词】：阻变存储器 氧化钛 离子型阻变 铜 电子型阻变 电子传输机制
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 非挥发性阻变存储器(RRAM)概念9-12
• 1.1.1 RRAM 操作步骤10-11
• 1.1.2 RRAM 的性能指标11-12
• 1.2 阻变存储器存储机制12-19
• 1.2.1 离子阻变类型12-14
• 1.2.2 电子阻变类型14-19
• 1.3 阻变体系氧化钛以及铜电极的简介19
• 1.4 研究内容及研究意义19-21
• 第二章 薄膜制备技术以及表征技术21-25
• 2.1 薄膜沉积设备介绍及其原理21-22
• 2.1.1 溅射设备—沉积氧化钛介质层21-22
• 2.1.2 高真空电子束蒸发设备—沉积电极层22
• 2.2 薄膜特性表征设备22-25
• 2.2.1 原子力显微镜22-23
• 2.2.2 X 射线衍射分析仪23
• 2.2.3 深度剖析俄歇电子能谱仪23-24
• 2.2.4 电学特性测试仪器24-25
• 第三章 基于氧化钛固态电解质的 RRAM 阻变特性研究25-40
• 3.1 不同氧分压对阻变特性的影响25-27
• 3.2 不同靶基距对阻变特性的影响27-29
• 3.3 基于 Al/200nm-TiO_x/Cu 结构的多值存储特性29-34
• 3.4 基于 Al/50nm-TiO_x/Cu 结构的 Forming-free,低功耗及多值存储特性34-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第四章 基于氧化钛的离子型阻变与电子型阻变的研究40-47
• 4.1 基于 Al／SiO_2/TiO_x/Cu 结构的离子型阻变40-43
• 4.2 基于 Al/TiO_x/Al 结构的电子型阻变43-45
• 4.3 本章小结45-47
• 第五章 总结与展望47-48
• 参考文献48-53
• 发表论文和科研情况说明53-54
• 致谢54-55

【共引文献】

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本文编号：336062