NiOx薄膜的制备及电阻开关性能研究

摘要

随着便携式个人设备的逐渐普及，非挥发性存储器在半导体行业中发挥的作用越来越大。阻变存储器（RRAM）因结构简单，存储密度高，生产成本低，与传统CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺兼容性好等优势而受到广泛的关注，有望成为下一代通用存储器。要使阻变存储器得以应用，对薄膜的微细加工技术进行研究具有重要的意义。本文以NiOx薄膜为研究对象，基于光化学配位理论，合成含镍配位化合物的溶胶。通过浸渍提拉法制备感光性NiOx凝胶膜，利用其感光特性对NiOx凝胶膜进行微细加工，并在此基础上研究了NiOx薄膜的电阻开关特性。
　　首先，以醋酸镍为原料，乙二醇甲醚为溶剂，苯酰丙酮为化学修饰剂，采用溶胶-凝胶法与化学修饰法相结合的方法合成含镍配合物的溶胶，通过浸渍提拉法制备感光性NiOx凝胶膜。利用紫外-可见光分光计和红外光谱仪等手段对凝胶膜进行分析表征，结果表明:此凝胶膜具有紫外感光特性。利用其感光特性，可以对NiOx凝胶膜进行微细加工。采用掩模法以紫外光为曝光光源对NiOx凝胶膜进行微细加工，结果表明此凝胶膜具有良好的微细加工特性。同时，还可采用无掩模的激光干涉技术，利用氪离子激光器双光束一次曝光工艺制备了线密度为1200 l/mm的光栅。
　　对不同热处理温度下制备的未掺杂NiOx薄膜进行电学性能测试，结果表明在不同热处理温度下的薄膜都具有明显的电阻开关特性，且随着热处理温度的升高，薄膜的复位电压有变化，但对开关比没有明显的影响，其开关比(Roff/Ron)的数量级都为103。当热处理温度为300℃时NiOx薄膜的电阻开关性能最优。通过X射线光电子能谱(XPS)分析表明未掺杂薄膜中镍的化学态为Ni3+;添加Ti进行掺杂改性后薄膜中镍和钛的化学态分别为Ni2+和Ti4+。研究了Ti掺杂对NiOx薄膜电学性能的影响，测试表明其具有双极电阻开关特性。随着Ti摩尔掺杂量的增加，薄膜的复位电压有变化。当摩尔掺杂量n(Ni)/n(Ti)=92∶8时，NiOx薄膜的复位电压最小。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 阻变存储器的制备

1．1．1 阻变层材料

1．1．2 电极材料

1．2 氧化镍特性及制备方法

1．2．1 氧化镍的特性

1．2．2 氧化镍薄膜的制备方法

1．3 薄膜微细图形加工

1．3．1 光刻法

1．3．2 Sol-Gel法与化学修饰法相结合的微细方法

1．4 研究现状

1．5 理论基础

1．5．1 电阻开关行为的分类

1．5．2 阻变机理

1．6 研究目的及意义

1．7 研究内容

2 实验方案

2．1 实验设备

2．1．1 拉膜机

2．1．2 手套箱

2．1．3 双光束干涉曝光系统

2．1．4 紫外曝光光源

2．1．5 超声波雾化器

2．1．6 离子溅射仪(SBC-12)

2．1．7 其他实验设备

2．2 实验测试

2．2．1 紫外-可见光分光计(TU-1091)

2．2．2 红外光谱仪(IR-Prestige-21)

2．2．3 X射线光电子能谱仪

2．2．4 X射线衍射仪(XRD-7000)

2．2．5 正置式金相显微镜(Olympus-BX51)

2．2．6 原子力显微镜(SPI3800-SPA-400)

2．2．7 高分辨透射电子显微镜(JEM-3010)

2．2．8 半导体表征系统(Keithley 2400-SCS)和探针台

2．3 实验试剂

3 感光性NiOx凝胶膜制备及微细加工

3．1 感光性NiOx溶胶的合成及反应机理

3．2 NiOx凝胶膜的性能分析

3．2．1 凝胶膜的光谱分析

3．2．2 凝胶膜的感光特性分析

3．3 NiOx凝胶膜微细图形的制备

3．3．1 紫外掩模法微细加工NiOx凝胶膜

3．3．2 无掩模激光干涉法微细加工NiOx凝胶膜

3．4 本章小结

4 薄膜的性能分析

4．1 未掺杂薄膜性能分析

4．1．1 未掺杂薄膜电学性能分析

4．1．2 未掺杂薄膜表面形貌分析

4．1．3 未掺杂薄膜XPS分析

4．1．4 未掺杂薄膜TEM分析

4．2 掺杂薄膜性能分析

4．2．1 掺杂薄膜电学性能分析

4．2．2 掺杂薄膜XPS分析

4．3 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文