原子層淀積金屬氧化物阻變存儲器件研究.pdf

1、隨著閃存技術即將達到尺寸極限而面臨無法等比例縮小的問題，一種基于材料電阻轉變特性的電阻式存儲器(RRAM)由于其結構簡單、可縮微能力強、高速、高密度、可三維集成以及與CMOS工藝良好的兼容性等諸多優(yōu)點，被研究者們廣泛關注。研究已經發(fā)現(xiàn)了很多具有阻變特性的介質薄膜材料，然而在材料選擇、制備工藝，以及器件阻變存儲機理等方面還有很多問題值得探討。為此，本文開展了系統(tǒng)的研究。一方面，用原子層淀積(atomic layer deposition)

2、方法制備了多種具有阻變特性的金屬氧化物介質，在材料制備、工藝優(yōu)化、器件阻變存儲特性、阻變微觀機制上做了系統(tǒng)研究；另一方面，針對RRAM器件所呈現(xiàn)出的性能不穩(wěn)定，提出了幾種行之有效的優(yōu)化和解決方法。
　　 本文首先研究了近期業(yè)界廣泛關注的HfO2、La2O3、Nb2O5介質材料，系統(tǒng)探索了原子層淀積HfO2、La2O3、Nb2O5三種氧化物的工藝條件，分析了其材料特性，并制備了基于這些材料的可與CMOS工藝兼容的RRAM器件。研究

3、表明：
　　 (1)TiN/Nb2O5/Pt/SiO2/Si結構的RRAM器件具有較低的操作電壓，set電壓為1.2V，reset電壓為－1.2V；(2)TiN/La2O3/Pt/SiO2/Si結構的RRAM器件在1.5 V時可以寫入信號，－0.6 V電壓下擦除信號；(3)TiN/HfO2/Pt/SiO2/Si結構的RRAM器件的set和reset過程發(fā)生在+3.5 V和-3.5 V；(4)三種RRAM器件均呈現(xiàn)雙極性阻變特性；

4、(5)RRAM器件的on/off開關比分別為50、100、1000，均呈現(xiàn)不錯的抗噪聲容限。實驗證實了RRAM器件的局部熔絲(filament)導電機制，發(fā)現(xiàn)熔絲斷裂的位置位于陽極附近，并用C-AFM直觀觀測到RRAM器件導電熔絲的存在。
　　 其次，論文系統(tǒng)研究了ALD摻雜工藝對金屬氧化物RRAM存儲性能的作用。獨特的ALD氧化劑設計(如H2O2)可以引入過量氧摻入，使得氧空位與非鍵合氧的復合主導了金屬氧化物的阻變特性。研究發(fā)

5、現(xiàn)，在HfLaO薄膜中存在大量的非鍵合氧，保證了器件優(yōu)異的阻變特性?；贖fLaO薄膜的RRAM器件的高低阻值比達到106以上，并在10000次重復掃描中保持穩(wěn)定。同時，擦寫速度也達到10ns。實驗數(shù)據(jù)表明La摻入的Hf基金屬氧化物介質薄膜具有優(yōu)異的阻變特性，該工藝優(yōu)化的器件在RRAM領域將有良好的應用前景。深入研究了溫度對基于HfAlO介質材料的RRAM器件的影響。研究發(fā)現(xiàn)RRAM阻變行為與溫度有密切關系，并且阻變特性能否發(fā)生存在一個

6、關鍵溫度值，低于此溫度則阻變特性將會消失。研究表明，金屬氧化物RRAM的阻變機制是由受溫度影響的陷阱電荷的狀態(tài)所主導，電流導致的焦耳熱效應只起到輔助作用。
　　 論文通過嵌入Al2O3緩沖層，對NbAlO材料的RRAM器件性能進行了有效優(yōu)化，其擦寫操作可以在很低的電壓(±0.8 V)范圍內完成，使得存儲穩(wěn)定性大為提升。其原因是Al2O3材料與NbAlO材料存在較大的介電常數(shù)差異，重構了RRAM器件中的電場分布：介電常數(shù)越小的區(qū)域

7、電場強度越大。為了驗證這種具有電場調制效應的疊層結構對RRAM優(yōu)化的作用，我們設計了系統(tǒng)的實驗，制備了其它三種具有Al2O3緩沖薄介質的疊層結構：TaN/Al2O3/NiO/Al2O3/Pt、TaN/Al2O3/ZnO/Al2O3/Pt以及TaN/Al2O3/Pt。實驗證明用這樣獨特堆棧結構來代替單一阻變層能夠增強RRAM器件的穩(wěn)定性。無論是單極性還是雙極性的RRAM器件，其阻變特性均能夠通過增加介電常數(shù)相對小的Al2O3電場調制層來進

8、行優(yōu)化。疊層結構具有的這種電場調制的阻變效應大大減小了RRAM器件電阻轉變過程中的隨機性。論文用matlab對上述結構的RRAM阻變行為進行了模擬，得到與實驗數(shù)據(jù)非常吻合的阻變電流電壓特性曲線，即具有電場調節(jié)作用的堆棧阻變層具有更為穩(wěn)定的阻變特性。
　　 非揮發(fā)存儲器件中的多值存儲技術是實現(xiàn)海量存儲的有效途徑。研究表明在RRAM器件中，通過改變set過程中的鉗制電流幅度(Iset)可以顯著改變電阻值的大小，即可以通過這種控制se

9、t過程中的鉗制電流幅度方式有效地實現(xiàn)器件的多值存儲功能。但是鉗制電流對低電阻(LRS)值的影響也明顯分成兩個部分：當鉗制電流設置較大時，LRS阻值與Iset成線性關系，Iset越大，LRS越??；當Iset<1mA時，LRS隨電流Iset變化很小，Iset對LRS調制作用消失，其原因來源于測試設備的電流過沖現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在實驗中得到了驗證。用嵌入金屬納米晶的方法實現(xiàn)了對金屬氧化物RRAM阻變特性的優(yōu)化。制備了TaN/Al2O3：RuNCs