基于氧化鉿的阻變存儲(chǔ)器性能及機(jī)理的研究.pdf

1、隨著集成電路工藝技術(shù)結(jié)點(diǎn)的不斷縮小，不揮發(fā)存儲(chǔ)器領(lǐng)域里，占市場(chǎng)主流的傳統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器，由于其自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題導(dǎo)致的柵極漏電等一系列難以克服的問(wèn)題，使得其應(yīng)用面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，基于各種材料、機(jī)制以及操作方式的下一代新型非揮發(fā)存儲(chǔ)器開(kāi)始進(jìn)入研究領(lǐng)域，包括鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)、相變存儲(chǔ)器(PRAM)、磁存儲(chǔ)器（MRAM）以及阻變存儲(chǔ)器（RRAM），并得到了迅速的發(fā)展。
　　在這些新型不揮發(fā)存儲(chǔ)器中，阻變存儲(chǔ)器被認(rèn)為是成為下一代“

2、通用”存儲(chǔ)器的強(qiáng)有力候選者之一，因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、讀寫(xiě)速度快、保持時(shí)間長(zhǎng)、存儲(chǔ)密度高、操作電壓低、非破壞性讀取、可縮小能力強(qiáng)、功耗低和與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。而在所有的具有阻變特性的材料中，又以基于過(guò)渡金屬二元氧化物的阻變存儲(chǔ)器因其成本低、成分簡(jiǎn)單、易于制備且性能穩(wěn)定，成為最有前景的一種存儲(chǔ)器。但是，有關(guān)其電阻變特性的物理機(jī)制尚不完全清楚，仍需做大量的研究工作。
　　本論文從基于原子層淀積工藝制備氧化鉿(HfO2)材料的阻

3、變存儲(chǔ)器性能的電學(xué)和材料特性測(cè)試出發(fā)，做了一系列的研究。首先從ALD工藝出發(fā)，講了ALD工藝的原理、分類(lèi)以及系統(tǒng)簡(jiǎn)介。其次，根據(jù)RCB模型對(duì)金屬氧化物材料中filaments的通斷與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系之間的模擬，提出采用薄low k/厚highk堆疊結(jié)構(gòu)來(lái)改善單一highk材料阻變存儲(chǔ)器的開(kāi)關(guān)電壓的穩(wěn)定性和減小開(kāi)關(guān)電壓數(shù)值。由于兩種材料介電常數(shù)不同，施加外部電壓時(shí)，根據(jù)高斯定理，穿過(guò)兩層介質(zhì)的電位移矢量是連續(xù)的，使得low k介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度

4、是highk材料中的好幾倍，從而使得RRAM器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中filament的通斷都被控制在接近陽(yáng)極的較薄的low KAl2O3層內(nèi)，而不是隨機(jī)的發(fā)生在整個(gè)阻變功能層里，從而可以改善器件的SET電壓與RESET電壓的離散性以及減小SET電壓與RESET電壓的數(shù)值，改善穩(wěn)定性和減小功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功實(shí)現(xiàn)了這一目的，并對(duì)比了當(dāng)lowk薄膜Al2O3材料厚度不同時(shí)的兩種情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)low k薄膜更薄的時(shí)候，穩(wěn)定性更好，開(kāi)關(guān)電壓值更小，器件的高