基于铜的二氧化钛固态电解质阻变特性与机理的研究

摘要

随着市场对高容量、低功耗、具有快速存储能力的存储器需求的增加，非挥发性存储器(NonvolatileMemory)在半导体工业中得到了广泛的应用。目前市场主流的非挥发存储器FlashMemory随着工艺技术的提高已经接近其物理极限，因此新型非挥发性存储器的开发需求日益增加。其中阻变存储器(ReRAM)由于其高集成密度、快读写速度（纳秒级）、低功耗及易与CMOS工艺相兼容等优点成为下一代存储器的有力竞争者。在最近几十年里，阻变存储器的研究得到了迅猛的发展，然而到目前为止其阻变机理尚不完全清楚。本论文正是在如此的背景下，侧重于阻变机理的分析，提出新的阻变机制。
　　本论文实验样品中电极通过电子束蒸发制备，氧化钛薄膜通过磁控溅射制备。阻变机理的分析一方面通过AES，AFM等表征手段获得材料特性，另一方面通过电学测试安捷伦B1500A建立阻变模型。
　　首先，本论文探讨阻变的发展现状以及相关机理，改善了氧化钛薄膜的制备工艺。从氧分压以及靶基距的角度，改变不同的条件得到相应的Al/TiOx/Cu结构，获得具有多值存储特性的阻变单元。随后从AES等材料表征手段分析材料特性，从电学特性分析阻变机理，在此基础上第一次提出两种导电细丝（铜导电细丝与氧空位导电细丝）共存的阻变模型。在Reset过程中由于铜导电细丝优先断裂，从而获得Reset1，氧空位导电细丝继而断裂获得Reset2。
　　其次，为了改善多值特性，后续实验中优化介质层厚度，获得Forming-free，低功耗和多值存储特性的阻变单元。
　　随后，在之前工作的基础上，用氧化硅层插入到氧化钛和铝上电极之间（即Al/SiO2/TiOx/Cu结构），获得功耗更低的阻变特性。氧化硅层的作用在于避免氧空位区域的形成，减少电子的注入;控制导电细丝形成的数量，从而达到降低功耗的目的。
　　最后，为了对比离子型阻变与电子型阻变的差异，本文同时制备了Al/TiOx/Cu和AL/TiOx/Al结构，通过对比点与点之间、点内的一致性差异，表明电子型阻变Al/TiOx/Al结构比离子型阻变Al/TiOx/Cu结构的一致性更好。
　　通过本论文相关的实验，证实氧化钛作为阻变介质层在未来RRAM应用中的可能性。这将有助于研制替代闪存的高性能阻变存储器，同时对阻变存储器的机制研究及其阻变模型的构建，为优化出低功耗，高集成度，高度一致的阻变存储器的研究提供了经验，对RRAM器件的制备以及应用有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 非挥发性阻变存储器(RRAM)概念

1．1．1 RRAM操作步骤

1．1．2 RRAM的性能指标

1．2 阻变存储器存储机制

1．2．1 离子阻变类型

1．2．2 电子阻变类型

1．3 阻变体系氧化钛以及铜电极的简介

1．4 研究内容及研究意义

第二章 薄膜制备技术以及表征技术

2．1 薄膜沉积设备介绍及其原理

2．1．1 溅射设备—沉积氧化钛介质层

2．1．2 高真空电子束蒸发设备—沉积电极层

2．2 薄膜特性表征设备

2．2．1 原子力显微镜

2．2．2 X射线衍射分析仪

2．2．3 深度剖析俄歇电子能谱仪

2．2．4 电学特性测试仪器

第三章 基于氧化钛固态电解质的RRAM阻变特性研究

3．1 不同氧分压对阻变特性的影响

3．2 不同靶基距对阻变特性的影响

3．3 基于Al／200nm-TiOx／Cu结构的多值存储特性

3．4 基于Al／50nm-TiOx／Cu结构的Forming-free，低功耗及多值存储特性

3．5 本章小结

第四章 基于氧化钛的离子型阻变与电子型阻变的研究

4．1 基于Al／SiO2／TiOx／Cu结构的离子型阻变

4．2 基于Al／TiOx／Al结构的电子型阻变

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢