基于Bi2O3薄膜的ReRAM及其电阻开关特性研究

摘要

如今，存储器已经非常广泛地应用于各种电子产品中，并在我们的工作和生活中扮演着越来越重要的角色。随着电子技术与集成电路的飞速发展，对存储器的性能也提出了更高的要求，如高速度、高密度、长寿命、低功耗、非挥发性和更小的尺寸等。但当前主流的非挥发性存储技术--基于电荷存储机制的Flash存储器随工艺技术的发展遇到严重的技术瓶颈，非挥发性存储器无法满足信息技术迅速发展要求的超高密度和更高速存储的要求。因此，人们开始研究新的非挥发性随机存储技术。目前正在研究的兼具Flash存储器的非挥发性和RAM存储器高速度优点的存储器包括铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PCRAM)和电阻式存储器(ReRAM)等。其中，基于薄膜材料的可逆电阻开关效应的电阻式随机存取存储器，因其具有简单的器件结构、较高的存储密度、低压低功耗操作、高速擦写、较长的数据保持时间和极佳的尺寸缩小性等优势，并且其制备工艺与传统的CMOS工艺兼容，被认为是下一代通用新型存储器的最有力竞争者之一。
　　氧化铋(Bi2O3)是一种重要的氧化物半导体材料，显现出很多吸引人的特性，越来越多的被人们所关注。近年来Bi2O3薄膜材料在应用方面吸引了人们极大地兴趣，分别已被应用在电子功能材料、电解质材料、光电材料、医用复合材料、高温超导材料、催化剂等方面。本文将讨论氧化铋的一个新的应用领域，即新型非挥发性存储器ReRAM方面的应用，主要探讨Bi2O3薄膜的电阻开关特性进行及工艺参数对其性能的影响。
　　此次实验中我们先采用射频磁控溅射法在n型重掺硅上沉积一层Bi2O3薄膜，在使用热蒸发法在Bi2O3薄膜上镀上Au电极，最终制得了Au/Bi2O3/n+Si三明治结构的样品器件。通过UV-VIS光谱仪、X射线衍射仪(XRD)、Ⅰ-Ⅴ测试仪等测试方法对Bi2O3薄膜的生长状况以及它的电阻开关特性进行研究，并讨论不同的制备条件对器件的性能影响。
　　研究表明：由射频磁控溅射法制备的Bi2O3薄膜具有单极性电阻开关特性，其初始化(forming)电压和设置(set)电压大小与薄膜的厚度以及薄膜结晶状况有关，薄膜越厚，forming和set电压越大，薄膜的结晶度越好，氧空位等缺陷越少，其forming和set电压越小；复位(reset)过程的能量大小与薄膜厚度与氧空位密度有关，薄膜越厚或氧空位较多时，forming形成的导电细丝越粗，reset过程熔断导电丝的能量越大。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 Bi2O3的基本性质与应用

1.2.1 Bi2O3的性质与结构

1.2.2 Bi2O3的主要应用

1.3 Bi2O3薄膜的制备工艺

1.3.1 真空蒸发法

1.3.2 化学气相沉积法

1.3.3 脉冲激光沉积法

1.3.4 喷雾热解法

1.3.5 溶胶凝胶法

1.3.6 磁控溅射法

1.4 新型非挥发性存储器简介

1.4.1 磁阻式随机存取存储器(MRAM)

1.4.2 铁电随机存取存储器(FeRAM)

1.4.3 相变随机存取存储器(PCRAM)

1.4.4 电阻式随机存取存储器(ReRAM)

1.5 选题意义及研究内容

第2章 电阻式随机存取存储器的概述

2.1 ReRAM的材料体系

2.1.1 有机材料

2.1.2 固态电解质材料

2.1.3 多元金属氧化物

2.1.4 二元金属氧化物

2.2 ReRAM的阻变机制

2.2.1 体效应

2.2.2 界面效应

2.3 电流传导机制

2.3.1 欧姆传导

2.3.2 肖特基发射

2.3.3 普尔-法兰克发射

2.3.4 空间电荷限制电流

2.4 ReRAM的集成结构

2.4.11R单元结构

2.4.21T1R单元结构

2.4.31D1R单元结构

2.5 本章小结

第3章 薄膜的制备及其表征技术

3.1 薄膜的制备

3.1.1 射频磁控溅射的原理

3.1.2 射频磁控溅射设备

3.1.3 真空蒸发

3.2 薄膜性能的表征

3.2.1 X射线衍射(XRD)测试

3.2.2 薄膜光学性能的测试

3.2.3 Ⅰ-Ⅴ特性曲线测试

3.3 本章小结

第4章 基于Bi2O3薄膜的ReRAM器件的制备

4.1 薄膜制备准备工作

4.2 Bi2O3薄膜的沉积

4.3 Bi2O3薄膜沉积速率的计算

4.3.1 Bi2O3薄膜厚度的计算

4.3.2 Bi2O3薄膜的沉积速率

4.4 本章小结

第5章 硅衬底上Bi2O3薄膜的电阻开关特性的研究

5.1 引言

5.2 电阻开关现象初探

5.3 沉积温度对Bi2O3薄膜性能的影响

5.3.1 沉积温度对Bi2O3薄膜晶体结构的影响

5.3.2 沉积温度对Bi2O3薄膜电阻开关特性的影响

5.4 沉积时间对Bi2O3薄膜性能的影响

5.4.1 不同沉积时间对Bi2O3薄膜晶体结构的影响

5.4.2 不同沉积时间对Bi2O3薄膜电阻开关特性的影响

5.5 氧氩比对Bi2O3薄膜性能的影响

5.5.1 不同氧氩比对Bi2O3薄膜晶体结构的影响

5.5.2 不同氧氩比对Bi2O3薄膜电阻开关特性的影响

5.6 退火温度对Bi2O3薄膜性能的影响

5.6.1 退火温度对Bi2O3薄膜晶体结构的影响

5.6.2 退火温度对Bi2O3薄膜电阻开关特性的影响

5.7 本章小结

第6章 结论

致 谢

参考文献

附录