原子层沉积技术制备Al2O3基阻变存储器件及其性能研究

摘要

在信息技术时代，存储器的制备与性能对于信息的存储有着重要的意义。阻变存储器因其擦写速度快，耐久性高，非破坏性读取，结构简单，集成度高等优点，成为非易失性存储器领域的研究热点。目前，人们已经在二元金属氧化物(ZnO、CuOx、 Al2O3、TiO2)，三元钙钛矿氧化物材料(SrTiO3、SrZrO3)，复杂氧化物，有机材料及固态电解质材料中发现了阻变存储性能。其中，二元金属氧化物因其制备工艺简单，并与传统的互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor, CMOS)工艺兼容而得到人们广泛的关注。
　　氧化铝(Al2O3)因其光学性能优良、机械强度与硬度极高、透明性与绝缘性好等优点，在光电领域有着长足的应用。通过传统的物理气相沉积，人们相继在基于Al2O3薄膜的器件中发现了电阻开关特性。然而，基于原子层沉积法(AtomLayer Deposition，ALD)制备Al2O3薄膜器件还相对较少，与其他薄膜沉积方法相比，ALD技术能够精确地控制薄膜的组分和厚度。此外，由于ALD制备的Al2O3薄膜较为致密，这些器件虽然具有一定的阻变存储性能，但往往需要较高的电激活电压(forming voltage，VF)，这不仅需要较高的能耗，也对器件安全造成了很大的威胁，比如擦写不够稳定，容易击穿等等。
　　本论文通过利用原子层沉积的方法，制备出具有电阻开关特型的Al2O3薄膜基阻变存储器，探索了退火工艺对Al2O3薄膜电阻开关特性的影响，并创造性地在ALD制备过程中结合掺Zn和原位等离子氢处理的手段，实现Al2O3薄膜的免激活(forming free)性能，从而大大提高其稳定性和耐久性。主要研究成果如下:
　　（一）探索了Al2O3薄膜基阻变存储器件的制备工艺，制备出具有电阻开关特性的Ti/Al2O3/Pt器件;并利用退火工艺成功降低了薄膜的VF。通过原子层沉积法在Pt底电极上制备了Al2O3薄膜，利用电子束蒸发法结合掩膜板制备了Ti顶电极，确定了最佳的器件制备工艺。结果表明，ALD制备的Al2O3薄膜表面光滑，表面粗糙度（Rms）仅为0.852nm。制得的Ti/Al2O3/Pt器件具有典型的双极性电阻开关特性，VF为7.5V，SET电压及RESET电压分别为1.5V和-1.2V，高低阻态比为102-103左右。器件的阻变机理与氧空位形成的导电丝(Conductive导电丝s，CFs)有关，其导电机理为空间电荷限制电流(space-charge-limited current，SCLC)机制。对Al2O3薄膜退火后，薄膜的导电性提高，Ti/Annealing Al2O3/Pt器件的VF降低为4.5V。
　　（二）分别通过Zn掺杂和原位氢等离子体处理实现了Ti/Al2O3/Pt器件的forming free性能，并提高了器件的稳定性。在ALD生长时分别控制Al2O3和ZnO的循环数进行定量Zn掺杂，结果发现，在n(Al)∶ n(Zn)=29时，VF降到了3.95V;而n(Al)∶ n(Zn)=19时，VF降到了2.58V，当n(Al)∶ n(Zn)=9时，器件实现了formingfree。最后，采用等离子氢对Al2O3薄膜进行原位处理能够有效降低器件的VF，当氢等离子处理时间为15s时，器件能够实现forming free，SET与RESET电压分别为1.5V与-1V，高低阻态比达到103以上，器件在扫描100次后仍然具有稳定的电阻开关特性。由于等离子氢气体对Al2O3薄膜的还原作用，器件的性能得到了显著提升，并有望应用于其他阻变存储器的制备中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 非易失性存储器概述

1．2．1 Flash存储技术

1．2．2 磁存储器

1．2．3 铁电存储器

1．2．4 相交存储器

1．3 阻变存储器概述

1．3．1 阻变存储器的阻变机理

1．3．2 阻变存储器的研究进展

1．3．3 阻变存储器的性能参数要求

1．4 氧化物薄膜阻变存储器的制备方法

1．4．1 磁控溅射

1．4．2 反应溅射

1．4．3 其他物理气相沉积方法

1．4．4 化学气相沉积

1．4．5 原子层沉积法

1．4．6 其他薄膜生长方法

1．5 本论文的立题依据与研究内容

第二章 实验方法与表征

2．1 Al2O3基阻变存储器件的制备

2．1．1 衬底的清洗方法

2．1．2 阻变薄膜的制备

2．1．3 器件的制备

2．2 Thermal ALD制备Al2O3薄膜

2．3 薄膜材料的表征方法

2．3．1 椭圆偏振光测量技术

2．3．2 原子力显微技术

2．3．3 X射线光电子能谱测试技术

2．4 氧化物薄膜阻变存储器的电学性能测试

第三章 Al2O3薄膜的电阻开关特性

3．1 引言

3．2 Al2O3薄膜的阻变存储特性

3．2．1 电极和薄膜厚度对器件性能的影响

3．2．2 Ti／Al2O3／Pt阻变存储器的阻交特性

3．2．3 氧化铝薄膜的阻变机理讨论

3．3 退火对氧化铝薄膜阻变特性的影响

3．3．1 器件的制备

3．3．2 性能测试与分析

3．4 本章小结

第四章 掺杂对ALD制备氧化铝薄膜的阻变性能影响

4．1 引言

4．2 原位掺Zn对氧化铝薄膜阻变特性的影响

4．2．1 器件的制备

4．2．2 性能测试与分析

4．3 氢等离子体原位处理对氧化铝薄膜阻变特性的影响

4．3．1 器件的制备

4．3．2 Ti／HPET Al2O3／Pt阻变存储器的性能

4．4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果