钛基阻变存储器的阻变特性及其机理探究

摘要

现代信息技术遵循摩尔定律日新月异的高速发展中，对高密度、低功耗、高存取速度的追求使传统的FLASH存储器尺寸已逐渐接近其能缩小的物理极限，新一代非挥发性存储器中相变存储器（PRAM）、阻变存储器（RRAM）、铁电存储器（FRAM）以及磁变存储器（MRAM）在此背景下引起了广泛研究，其中阻变存储器以功耗低、材料多样性高、读取速度快等优点成为了最有潜力的新型非挥发性存储器，然而到目前为止阻变机理仍未完全解释清楚。
　　在此背景之下，本论文设计了 ITO/TiOx/Pt结构阻变存储器。通过优化氧分压、薄膜厚度、靶基距三个沉积工艺参数，探究其对器件电学性能的影响，优化出了具有5000次循环以上、窗口保持性超过104秒的阻变器件，同时在优化过程中得到了能够发生突变型、缓变型两种不同阻变行为的样品结构，并提出该结构器件中两种阻变机制共存的猜想。
　　随后，针对样品能发生两种阻变行为这一现象进行机理分析。首先通过X射线电子能谱（XPS）分析阻变层中钛元素的价态分布，表明了优化工艺下的 TiOx薄膜有能够实现两种阻变的价态成分；绘制logI~logV曲线拟合器件传输机制，发现缓变型阻变的set、reset过程均符合空间电荷限制电流（SCLC）机制，突变型的reset与set则分别同SCLC及欧姆机制相符；通过温度测试及计算活化能的方式从陷阱深度的角度解释两种阻变的发生，进一步利用光照实验直观说明陷阱的存在，从而证明了该结构中电子型阻变的存在，验证了该结构两种阻变共存的猜想。
　　本论文构建了 ITO/TiOx/Pt结构阻变器件，通过一系列工艺优化实验，获得了具有5000次循环以上，窗口保持性高于104秒，阻变窗口大的器件单元。同时在工艺优化过程中发现器件能够发生两种不同机制的阻变，这种新型阻变存储器件，对多值存储器件的开发以及离子型、电子型阻变机制的研究具有一定的参考意义。

目录

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第一章 绪论

1.1非挥发性阻变存储器（RRAM）的概念

1.1.1 RRAM的基本工作原理及其性能指标

1.1.2 RRAM的存储机制

1.2氧化钛阻变层及上下电极材料

1.2.1氧化钛阻变体系

1.2.2上下电极材料

1.3光电子阻变存储器及其应用

1.4研究内容及研究意义

第二章 ITO/TiOx/Pt结构阻变器件的阻变性能及工艺优化

2.1 ITO/TiOx/Pt（ITP）结构阻变器件的构建

2.1.1薄膜生长工艺——磁控溅射

2.1.2电学性能分析——半导体器件分析仪

2.2 TiOx阻变层性能优化实验及分析

2.2.1不同氧分压条件对器件阻变性能的影响

2.2.2不同氧化钛薄膜厚度对器件阻变性能的影响

2.2.3不同靶基距对器件阻变性能的影响

2.2.4退火对器件阻变性能的影响

2.3工艺优化后ITO/TiOx/Pt结构器件的阻变性能

2.4本章小结

第三章 ITO/TiOx/Pt结构阻变机制分析

3.1微观结构分析表征手段

3.1.1原子力显微镜

3.1.2扫描电子显微镜

3.1.3 X射线光电子能谱

3.2优化工艺下的ITO/TiOx/Pt结构的表征

3.2.1 ITO薄膜的AFM形貌图

3.2.2 TiOx薄膜的AFM形貌图

3.2.3横截面SEM表征以及TiOx层XPS分析

3.3 ITO/TiOx/Pt结构的阻变机制拟合

3.4 ITO/TiOx/Pt结构两种阻变的温度测试与活化能计算

3.5 ITO/TiOx/Pt结构的光照实验

3.6本章小结

第四章 总结与展望

总结

展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢