用于阻变存储器的二元金属氧化物薄膜的制备与探究

摘要

随着半导体工艺技术的进步和发展，在存储器领域里，占主流的F las h技术已经越来越难以满足市场的需求，其操作电压高、写入速度低、存储密度小等问题日益突出。作为下一代非易失性存储器的典型代表，阻变存储器由于具备能耗低、存储密度高、操作速度快、抗疲劳特性好等优点，得到了广泛关注。二元金属氧化物由于成分简单、易于制备、与CMOS工艺兼容等特点被大量研究。为了提高器件的阻变性能，用掺杂来改善材料组分和引入多层结构是两种最常见的有效方法。 本论文通过制备基于 HfO2、ZrO2 和 ZnO 等二元金属氧化物阻变存储器(RRAM)，研究了关于材料组分和器件结构的阻变行为，并对其阻变机制进行了分析。为改善二元金属氧化物RRAM提供了新的思路。 1、对基于 HfO2的阻变存储器提出采用改善材料组分的方法来提高其阻变性能。制备ZrO2与HfO2的固溶体HfxZr(1-x)O2 (HZO)，采用PLD技术，在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备了组分比分别为2：8、4:6、5:5、6:4及8:2的HZO薄膜。分别对5 种薄膜的 I-V 特性、抗疲劳特性、数据保持特性、操作电压等参数进行了测试，结果表明Hf0.5Zr0.5O2阻变薄膜的阻变性能最优。器件的开关比达104；抗疲劳特性好，在翻转过程中阻值分布稳定，器件经2500次翻转后仍未失效；数据保持特性良好，保持时间达105 s；操作电压分布密集且数值最小。分析HZO薄膜的导电机制并研究了阻变机理。低阻态时为欧姆导电机制；高阻态低电压区域为欧姆导电机制，高电压区域为肖特基发射机制。研究表明虽然样品在不同状态下的导电机制不同，但其阻变行为可以用导电细丝的形成与断开来解释。 2、对基于ZnO的阻变存储器提出采用多层结构的方法来提高其阻变性能。采用PLD技术，常温下，在PET柔性衬底上成功制备了Al2O3/ZnO双层阻变薄膜，不同样品Al2O3层的厚度分别为1 nm, 5 nm, 8 nm。对双层薄膜的I-V特性、抗疲劳特性、数据保持特性、抗弯折特性等参数进行测试，结果表明，采用双层结构可以有效提升ZnO薄膜的阻变性能，Al2O3层厚度为5 nm时双层薄膜的阻变性能最优。器件开关比达103以上；翻转次数在200次以上，有良好的抗疲劳特性；操持时间在103s以上，数据保持性良好；在100次机械弯折后仍保持阻变特性，抗弯折特性良好。研究了 ZnO 薄膜的导电机制及阻变机理。发现单层 ZnO 与双层Al2O3/ZnO结构具有相同的导电机制，低阻态时为欧姆导电机制；高阻态低电压区域为欧姆导电机制，高电压区域为 SCLC 机制。其阻变行为均可以用导电细丝模型来解释。

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