基于铌酸锂单晶薄膜忆阻交叉阵列研究

摘要

近年来，忆阻器因其独特的阻变电学特性使其在存储器和神经网络中有着良好的应用前景。要想实现大规模的存储和更加复杂的功能，忆阻单元的大规模集成必不可少，忆阻器因其简单的二端结构能够方便的使用交叉阵列的方式实现高密度集成，但是制作成为大规模阵列之后，各个单元之间存在性能参数的不一致性问题，原因来自于沉积薄膜中存在的晶界和各种缺陷，因此本论文提出一种基于单晶阻变薄膜的方法来制备忆阻交叉阵列的方案，利用单晶薄膜结构、性能一致性高的优点，从材料上提高各忆阻单元性能的一致性。 本文使用离子注入剥离技术，结合BCB键合的方式，实现了带电极单晶薄膜的剥离转移，使用这种薄膜制备方法得到缺陷更少的单晶薄膜，从而更加有效的解决薄膜的均匀性问题。在此薄膜基础上通过Ar+辐照工艺优化其忆阻性能最终得到性能较好的忆阻交叉阵列。具体研究工作及结果如下： 1.采用离子注入剥离方法研究了基于BCB胶的带电极薄膜的键合剥离方法，并采用Ar+辐照工艺研究了忆阻性能的优化方法。通过软件仿真分析了氢离子和氦离子注入的差别，并参照Si单晶的剥离结果，确定了使用氦离子注入的能量和剂量，比较了不同注入剂量的晶圆在相同温度下的起泡结果，结果显示注入剂量大的晶圆起泡温度更低，更易于剥离。另一方面为了实现带有电极结构的表面键合，选择旋涂BCB胶作为键合剂。试验了不同的BCB胶的预处理条件，包括BCB胶的厚度，前烘时间对剥离薄膜的影响，结果显示转速为5000r/min下的BCB胶厚度，以及60s的前烘时间能够得到裂纹更少的单晶薄膜。通过Ar+辐照处理，向薄膜中引入氧空位，同时采用刻蚀减薄工艺将薄膜厚度减至100nm，最终得到性能优化的忆阻薄膜。 2.基于上述忆阻薄膜，通过光刻制备图形化电极从而制作完成交叉阵列，并测试了阵列中各单元的数据保持特性，抗疲劳特性以及多态特性。数据保持特性测试结果表明器件的阻值能够稳定保持超过50h，抗疲劳特性测试结果显示在超过10000次读写后依然具有10倍以上的开关比，多态特性测试结果表明器件随激励脉冲幅值变化表现出多态性。最后统计分析所有单元的电学特性发现，电形成电压和高阻态电流显示出较高的一致性，低阻态电流在1×10-8A到1×10-7A范围内波动。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 忆阻器的定义及基本概念

1.2 忆阻器的研究背景以及国内外研究现状

1.2.1 研究背景

1.2.2 忆阻器的研究现状

1.3 忆阻器阵列面临的问题

1.4 本文的主要内容

第二章 实验方法与表征测试

2.1 单晶忆阻阵列的结构与总体研究方案

2.2 铌酸锂忆阻薄膜的制备与结构表征方法

2.2.1 忆阻薄膜的制备

2.2.2 微观结构的表征

2.3 忆阻交叉阵列的制备方法

2.3.1 光刻胶掩膜制作

2.3.2 磁控溅射制作电极

2.3.3 下电极引出方法

2.4 忆阻阵列测试系统的总体设计及搭建

2.4.1 测试系统硬件架构

2.4.2 测试系统控制软件设计

2.4.3 忆阻单元电学特性测试方案

2.5 本章小结

第三章 单晶铌酸锂晶圆忆阻薄膜制备方法研究

3.1 单晶铌酸锂晶圆离子注入仿真

3.2 单晶铌酸锂晶圆离子注入键合剥离工艺研究

3.2.1 离子注入晶圆的起泡现象研究

3.2.2 基于BCB胶的键合及退火剥离工艺研究

3.3 单晶铌酸锂薄膜的忆阻特性研究

3.3.1 真空退火与氩离子辐照对薄膜忆阻特性的影响

3.3.2 薄膜厚度对忆阻特性的影响

3.4 忆阻单元的电荷输运分析

3.5 本章小结

第四章 单晶铌酸锂薄膜忆阻交叉阵列的制备及性能测试

4.1 单晶铌酸锂薄膜忆阻交叉阵列的制备

4.2 阵列中忆阻单元的阻变特性

4.2.1 忆阻单元的数据保持特性与抗疲劳特性

4.2.2 忆阻单元的多态特性测试

4.3 阵列中忆阻单元电学特性测试统计分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果