过渡族金属氧化物基阻变器件电阻转变特性及其机理研究

摘要

电阻型随机存储器(RRAM)是一类非常有前途的新型非易失性半导体存储器。基于过渡金属氧化物材料的RRAM器件具有“价格低，功率小，速度快，与CMOS工艺兼容性更好及物理性能更丰富”等优点，是新一代非易失性存储器的有力候选者。经过十多年地发展，相关器件的制备和新材料体系的开发上有了明显进展。然而RRAM领域中仍然存在很多问题需要解决，物理机制还不清晰，而阻变参数分散和阻变位置的不可控性等问题也困扰着RRAM的应用。本文以ZnO，CuOx/Si和WO3氧化物材料作为研究对象，在微结构、工作机理以及研究方法等方面对RRAM的关键技术进行研究，主要得到以下结果:
　　(1)通过在Ag/Zn0.8Mg0.2O之间添加缓冲层AgOx，成功得到具有稳定阻变性能及极小转变阈值电压的双极性Ag/AgOx/Zn0.8Mg0.2O/Pt器件。该双极性器件具有非常窄的转变阈值电压和高低组态电阻值分布，σ/μ值分别为6.7％(Vset)，11.8％（Vreset），9％(LRS)，29.5％(HRS)。同时，该器件与其他已报道的氧化物基RRAM器件相比具有最小的转变阈值电压值（Vset:0.11V～0.19V; Vreset:-0.14V～-0.18V），大大降低了器件在使用过程中的能量消耗。
　　同时我们在 Ag/AgOx/Zn0.8Mg0.2O/Pt器件中实现了双极性和单极性两种转变方式的可控转换。研究表明Ag/AgOx/Zn0.8Mg0.2O/Pt器件的电阻转变过程中焦耳热效应和电场致离子迁移运动并存，相互竞争。当离子迁移运动占主导地位时，器件表现出双极性转变行为。通过对双极性器件的高阻态进行短时脉冲处理，该器件从双极性转变转换为单极性转变。脉冲处理使Zn0.8Mg0.2O层中的丝通道发生变形，焦耳热效应起主导作用，器件表现出单极性转变行为。随后对单极性器件进行负向偏压扫描，一定条件下，器件的阻变类型转换为双极性转变。这种特性使该器件能够根据不同的需要在两种转变方式之间进行转换，扩展了器件的应用范围。
　　（2)利用CuOx/Si界面氧化还原反应生成结构均匀的SiOx绝缘层，成功制备了具有类均匀转变特性的Pt/CuOx/Si/Pt器件。该器件具有渐变的电形成过程(GE过程)，随着电压扫描次数的增加，电阻值逐渐增加，同时电容值逐渐减小。我们通过对比试验、复阻抗谱图、I-V曲线的对称性、氧化还原反应公式、界面层有效厚度的计算及AES深度剖析逐步证实了CuOx/Si界面SiOx层的存在，并且该层对器件类均匀转变特性起了至关重要的作用。GE过程实质上是电压扫描过程中界面处发生氧化还原反应，SiOx层厚度逐渐增加导致。
　　通过对I-V曲线和交流电导率的分析对器件的电输运特性，低阻态的弛豫行为和电阻转变机制进行了详细地研究。器件的电输运特性表现为空间电荷限制电流机制(SCLC)，初始态器件中SiOx层结构较为完整，缺陷含量少，因此不存在浅陷阱控制的SCLC过程。经过电压扫描后，Cu+/Cu2+离子进入SiOx层中，成为电子跃迁的陷阱，使器件表现出浅陷阱控制的SCLC过程。在低阻态弛豫的过程中，SiOx层的厚度没有发生变化，电阻增加后，Cu+/Cu2+离子的弛豫时间和扩散系数也随之增加，离子浓度降低，即低阻态的弛豫过程由Cu+/Cu2+离子扩散出SiOx层导致。复电导率实部随频率变化的曲线高频下符合fβ型（β～1）的交流电导行为，表明弛豫中心或跃迂势垒分布均匀，Cu+/Cu2+离子在SiOx层中分布较均匀，进而使器件表现为类均匀转变。该工作为制备均匀转变器件提供了新的思路和方法。
　　(3)采用C-AFM技术研究了WO3-x阻变薄膜的导电特性。发现Au/WO3-x/Au平面器件的导电通道的电阻状态分为两部分，其中靠近白色区域（与电极相连的高阻区）的弧形区域电阻最低，远离白色区域的部分电阻稍高。WO3-x/glass薄膜颗粒表现出颗粒边界导电的特性，同时边界的导电性具有不均匀性。WO3-x/Pt薄膜颗粒则表现出晶粒内部导电的特点。WO3-x/Pt薄膜颗粒存在均匀导电和不均匀导电两种导电行为。颗粒的不均匀导电是由颗粒内部氧缺陷分布不均匀造成。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 新型非易失性存储技术

1．2．1 铁电存储器

1．2．2 磁致电阻存储器

1．2．3 相变存储器

1．2．4 电阻式存储器

1．3 氧化物基阻变存储器

1．3．1 研究历史

1．3．2 性能参数

1．3．3 电阻转变的类型

1．4 电致电阻转变效应和转变机理

1．4．1 电化学金属化效应和导电丝通道机理

1．4．2 价态变化记忆效应和基于氧离子迁移的氧化还原反应机理

1．4．3 热化学记忆效应和热效应机理

2．4．4 静电／电子记忆效应和电子注入阻变机理

1．5 载流子的输运机制及常见模型

1．5．1 欧姆机制

1．5．2 热电子发射机制

1．5．3 隧道效应

1．5．4 Poole-Frenkel发射机制

1．5．5 空间电荷限制电流机制

1．6 本文的研究意义和研究内容

第二章 制备方法和实验技术

2．1 制备方法

2．1．1 固相烧结法

2．1．2 脉冲激光沉积法

2．1．3 影孔板法微米电极制备

2．1．4 紫外光刻技术制备电极

2．2 薄膜的表征技术

2．2．1 形貌的表征

2．2．2 结构的表征

2．2．3 成分的表征

2．3 电性能测试方法

2．3．1 I-V性能测试

2．3．2 脉冲触发测试

2．3．3 交流阻抗谱技术

2．3．4 C-AFM技术

第三章 ZnMgO阻变材料的电阻转变特性及转变机理研究

3．1 ZnO基阻变材料简介

3．1．1 ZnO的基本性质

3．1．2 ZnO阻变材料的研究背景

3．2 ZnMgO薄膜的制备和表征

3．2．1 制备方法

3．2．2 形貌和结构表征

3．3 Ag／Zn0.8Mg0.2O／Pt器件的电阻转变特性

3．4 Ag／AgOx／Zn0.8Mg0.2O／Pt器件的电阻转变特性

3．4．1 制备和表征

3．4．2 双极性转变特性

3．4．3 脉冲触发电阻转变特性

3．4．4 单极性转变特性

3．4．5 阻变类型的相互转化

3．4．6 电阻转变模型

3．5 小结

第四章 Pt／CuOx／Si／Pt器件的电阻转变特性

4．1 SiO2基NIMD器件简介

4．2 Pt／CuOx／Si／Pt器件的制备和表征

4．2．1 制备工艺

4．2．2 形貌和结构的表征

4．3 Pt／CuOx／Si／Pt器件的阻变特性

4．3．1 I-V特性

4．3．2 电阻保持性和失效分析

4．3．3 电阻-电极面积关系

4．4 转变机理研究

4．4．1 电阻转变发生的区域

4．4．2 GE过程产生的原因

4．4．3 不同电阻状态的电输运机制

4．4．4 不同电阻态的交流阻抗谱研究

4．4．5 电阻转变模型

4．5 小结

第五章 WO3-x阻变薄膜的C-AFM研究

5．1 WO3基阻变材料简介

5．1．1 WO3的基本性质

5．1．2 WO3阻变材料的研究背景

5．2 C-AFM技术用于阻变器件的研究进展

5．3 Au／WO3-x／Au平面器件的C-AFM研究

5．3．1 制备方法

5．3．2 微观导电行为

5．4 WO3-x／glass薄膜的C-AFM研究

5．4．1 制备和结构表征

5．3．2 电流mapping行为

5．4．3 颗粒导电性分析

5．5 WO3-x／Pt薄膜的C-AFM研究

5．5．1 制备和结构表征

5．5．2 电流mapping行为

5．5．3 颗粒导电性分析

5．6 小结

第六章 总结和展望

致谢

参考文献

博士期间发表的论文