铜、锌氧化物基阻变存储器制备及性能研究

发布时间：2017-06-02 12:23

  本文关键词：铜、锌氧化物基阻变存储器制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现代信息技术提升的主要瓶颈是存储器容量及存储速度,究其原因是Si基器件尺寸已基本达到理论极限。阻变存储器其理论尺寸远低于Flash等主流存储器,所以在下一代存储器中极具发展潜力。本文利用射频磁控溅射制备了Al/CuxO/Cu型、Al/Zn O/Cu型及Al/Cu O/Zn O/Cu型三种阻变存储器件。利用XRD、XPS、SEM、AFM等分析手段,确定了磁控溅射工艺参数对薄膜成分、结构及表面粗糙度的影响。在不同磁控溅射参数下制备了一系列阻变存储器件,分析阻变现象产生的机理以及成分、晶粒大小、表面粗糙度等对阻变性能的影响。本文主要内容包括:(1)由于所有器件均使用Cu作为下电极,而且下电极薄膜的晶向和表面粗糙度等都会对阻变层的生长产生影响,所以先优化下电极薄膜。可以利用XRD检测下电极薄膜中Cu的结晶方向,并通过FWHM可以计算出晶粒大小;利用SEM测试样品断面,利用得到的背散射图样可以计算出生长速率;利用原子力显微镜可以得到样品的表面粗糙度。综上考虑确定Cu下电极薄膜的较佳工艺参数为:溅射功率100W,溅射压强1Pa,氩气流量40sccm,溅射时间20min。(2)利用射频磁控溅射制备了Al/CuxO/Cu型阻变存储器件,发现其双极性阻变现象,且高低阻态比值超过1000,满足阻变存储器使用要求。确定了高阻态时阻变机理可以用SCLC理论解释,低阻态时可以用导电细丝理论解释。存储器寿命超过1000次循环。CuxO薄膜成分从Cu O向Cu2O转变过程中,forming电压不断减小,SET电压几乎不变,成分达到Cu2O时可以近似认为forming过程消失了。随着晶粒变大,高低阻态电阻相应的变大,这与导电细丝可能在晶界间形成有关。(3)利用射频磁控溅射制备了Al/Zn O/Cu型阻变存储器件,其高低阻态阻值比超过100,满足使用要求。存储机理与Al/CuxO/Cu型阻变存储器存储机理一致,但是稳定性更高。晶粒变大,SET电压和高低阻态阻值都会相应的增加,而表面粗糙度对SET电压和高低阻态阻值几乎没有影响。(4)利用射频磁控溅射制备了Al/Cu O/Zn O/Cu型阻变存储器件。对比了Al/Cu O/Zn O/Cu型阻变存储器与Al/Zn O/Cu型阻变存储器的存储机理,发现双层器件的阻变机理与单层器件阻变机理几乎相同。双层器件有更大的阈值电压,更高的高低阻态比(超过300),更小的电阻波动,耐久力更好,然而,单层器件显示出更低和更集中的SET电压。不同的阻变特性说明Cu O层起到了重要作用。
【关键词】：阻变存储器 简单氧化物 射频磁控溅射 存储机理
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 阻变储器研究的目的和意义9
• 1.2 非易失性存储器简介9-13
• 1.3 国内外现状简析13-16
• 1.3.1 阻变存储器国内研究现状13
• 1.3.2 阻变存储器国外研究现状13-14
• 1.3.3 国内外文献综述简析14-16
• 1.4 本论文的主要研究内容16-17
• 第2章 阻变存储器制备技术及表征方法17-20
• 2.1 制备方法17-18
• 2.1.1 磁控溅射原理17
• 2.1.2 实验中用到的材料17-18
• 2.2 薄膜表征18-19
• 2.2.1 X射线衍射18
• 2.2.2 扫描电子显微镜18
• 2.2.3 原子力显微扫描电镜18
• 2.2.4 X射线光电子能谱分析18-19
• 2.3 存储器电学测试方法19-20
• 第3章Al/Cu_xO/Cu结构阻变存储器研究20-51
• 3.1 RRAM基本结构20
• 3.2 薄膜制备和表征20-44
• 3.2.1 Cu下电极薄膜的工艺参数优化20-30
• 3.2.2 CuxO薄膜的制备30-44
• 3.2.3 Al上电极薄膜的制备44
• 3.3 Al/Cu_xO/Cu型RRAM电学特性44-50
• 3.3.1 双极性(bipolar)阻变现象及机制分析44-47
• 3.3.2 阻变器件稳定性测试47-48
• 3.3.3 Cu_xO薄膜成分对SET电压和RESET电压的影响48-49
• 3.3.4 Cu_xO薄膜晶粒大小对高低阻态阻值的影响49-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章Al/ZnO/Cu结构阻变存储器研究51-66
• 4.1 器件结构51
• 4.2 ZnO阻变层薄膜的制备及表征51-61
• 4.2.1 氩氧比对ZnO薄膜的影响51-55
• 4.2.2 功率溅射功率对ZnO薄膜的影响55-58
• 4.2.3 溅射压强对ZnO薄膜的影响58-61
• 4.3 ZnO基阻变存储器电学特性61-65
• 4.3.1 ZnO基阻变存储器双极性阻变现象61-63
• 4.3.2 Al/ZnO/Cu型阻变存储器耐久度分析63
• 4.3.3 ZnO晶粒大小对SET电压和高低阻态阻值的影响63-64
• 4.3.4 表面粗糙度对SET电压和高低阻态阻值的影响64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第5章Al/CuO/ZnO/Cu结构阻变存储器研究66-70
• 5.1 Al/CuO/ZnO/Cu结构RRAM制备66
• 5.2 电学特性66-69
• 5.3 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-77
• 致谢77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 周益春;唐明华;;铁电薄膜及铁电存储器的研究进展[J];材料导报;2009年09期

  本文关键词：铜、锌氧化物基阻变存储器制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：415316