NiOx薄膜电阻开关存储器制备及性能研究

摘要

基于氧化物薄膜电阻开关特性的电阻随机存储器，凭借存储速度快、功耗低、结构简单、可高密度集成等优点成为下一代非易失性存储器的理想候选者。NiOx薄膜是最早被发现具有电阻开关特性的材料之一，由于制备方法和工艺条件不同，NiOx薄膜电阻开关特性呈现纷繁复杂的多元性:分别有单极性、双极性和非极性电阻开关特性。以往研究者多集中关注NiOx薄膜电阻开关特性参数，对其电流-电压(Ⅰ-Ⅴ)曲线循环方向研究相对较少。
　　本文利用射频磁控溅射法，在优化制备条件下在镀Pt的p-Si(100)衬底上制备了富氧NiOx多晶薄膜。微结构分析表明20％氧分压下沉积薄膜沿[200]晶向择优取向生长，形成垂直衬底的柱状晶粒结构。本文分别研究了氧分压，扫描电压，薄膜厚度和温度对Ag/NiOx/Pt电容器结构的电阻开关特性，特别是对电流-电压曲线循环方向的影响，并探讨了其电流隧穿和电阻翻转的物理机制。
　　电学测试发现:相比其它氧氛围，20％氧分压沉积制备的20 nm薄膜具有最优的双极性电阻开关特性:在0.9V读取电压下，高/低电阻态的平均阻值比＞10，该比值可稳定维持超过1.5×103个循环周期，显示出优良的阻变稳定性。Ag/NiOx/Pt电容器结构Ⅰ-Ⅴ曲线循环方向与扫描电压和薄膜厚度紧密相关。对于同一个存储单元，最大扫描电压＜2V时，Ⅰ-Ⅴ曲线沿逆时针方向循环;最大扫描电压增加到2V时，Ⅰ-Ⅴ曲线沿顺时针方向循环。60 nm NiOx薄膜的Ⅰ-Ⅴ曲线沿逆时针方向循环，当薄膜厚度减小到20 nm，Ⅰ-Ⅴ曲线沿顺时针方向循环。随着测试温度的升高，薄膜漏电流也随之增大。
　　理论拟合结果表明，低电阻态时电容器漏电流为欧姆接触导电，高电阻态时主要为肖特基热激发隧穿电流。逆时针循环Ⅰ-Ⅴ曲线的电阻翻转服从导电细丝通道理论，顺时针循环Ⅰ-Ⅴ曲线电阻翻转机制则归因于扩散进入NiOx薄膜的银离子发生的氧化还原反应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 非易失性存储器研究背景

1．1．1 非易失性存储器简介

1．1．2 非易失性存储器市场现状

1．2 新型非易失性存储器的分类与结构原理简介

1．2．1 铁电存储器(FeRAM)

1．2．2 相变存储器(PRAM)

1．2．3 磁阻存储器(MRAM)

1．2．4 阻变存储器(RRAM)

1．3 RRAM研究进展

1．3．1 电阻开关效应分类

1．3．2 具有阻变效应的材料体系

1．3．3 电阻开关的物理机制简介

1．4 本文的研究内容及意义

第二章 NiOx薄膜的制备及微结构表征

2．1 NiOx薄膜的制备与微观观测方法简介

2．1．1 射频磁控溅射原理简介

2．1．2 X射线衍射仪(XRD)原理简介

2．1．3 扫描电子显微镜(SEM)原理简介

2．1．4 透射电子显微镜(TEM)原理简介

2．1．5 X射线光电子能谱(XPS)原理简介

2．2 NiOx薄膜的制备与微结构表征

2．2．1 NiOx薄膜晶体结构的XRD观测与分析

2．2．2 NiOx薄膜表面形貌的SEM观测与分析

2．2．3 薄膜横截面微结构HRTEM观测与分析

2．2．4 NiOx薄膜成分的XPS观测与分析

2．3 本章小结

第三章 不同氧分压氛围沉积制备NiOx薄膜磁性和电阻开关特性

3．1 不同氧分压沉积制备NiOx薄膜的磁性测量与分析

3．2 Ag／NiOx／Pt电容器结构的制备及电学性能测试

3．3 不同氧分压氛围制备的Ag／NiOx／Pt电容器结构的电阻开关特性

3．4 20％氧分压沉积制备NiOx薄膜隧穿电流机制探究

3．5 本章小结

第四章 扫描电压幅值对NiOx薄膜电阻开关特性的调控

4．1 实验方案及测试参数

4．2 不同扫描电压下Ag／NiOx／Pt电容器结构的电阻开关特性

4．3 高／低扫描电压下Ag／NiOx／Pt电容器结构隧穿电流物理机制探讨

4．4 高／低扫描电压下的Ag／NiOx／Pt电容器结构电阻开关物理机制分析

4．5 本章小结

第五章 薄膜厚度对Ag／NiOx／Pt电容器结构电阻开关特性的影响

5．1 薄膜沉积速率的标定

5．2 不同厚度NiOx薄膜的电阻开关特性

5．2．1 20nm NiOx薄膜I-V曲线循环方向与循环稳定性

5．2．2 60nm NiOx薄膜I-V曲线循环方向与循环稳定性

5．2．3 20nm NiOx薄膜的电流隧穿机制研究

5．3 不同薄膜厚度下NiOx薄膜的电阻开关机制研究

第六章 温度对Ag／NiOx／Pt电容器存储单元电流-电压曲线的影响

6．1 20％氧分压沉积制备的20nm NiOx薄膜在不同测试温度下的I-V曲线分析

6．2 20％氧分压沉积制备的60nm NiOx薄膜在不同测试温度下的I-V曲线分析

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

硕士期间发表论文

参加学术活动情况

致谢