基于氧化鉿阻變存儲(chǔ)器件的構(gòu)建及機(jī)理研究.pdf

1、隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成電路的特征尺寸越做越小，我們常用的Flash存儲(chǔ)器，由于尺寸縮小后電荷泄露，正遇到技術(shù)瓶頸。阻變存儲(chǔ)器(RRAM)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的非揮發(fā)性的存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)單元為金屬-絕緣體-金屬(M-I-M)的三明治結(jié)構(gòu);讀寫(xiě)速度快，可達(dá)到納秒量級(jí);集成密度高，可縮小至幾個(gè)納米的特征尺寸。因此阻變存儲(chǔ)器很可能成為取代Flash存儲(chǔ)器的下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)器。在RRAM的研究過(guò)程中，阻變機(jī)理、低功耗、多值存儲(chǔ)等一直是該領(lǐng)域的研

2、究熱點(diǎn)。
　　本文中采用疊層結(jié)構(gòu)的方法，制備出低功耗、多值HfO2阻變器件，并且運(yùn)用導(dǎo)電機(jī)理、電容特性、溫度特性等分析阻變機(jī)理。
　　在基礎(chǔ)工藝方面，由磁控濺射TiN電極，通過(guò)使用襯底偏壓增強(qiáng)濺射離子能量，制備出亞納米量級(jí)平整度、高電導(dǎo)率的TiN電極;使用射頻磁控濺射工藝，沉積出慢沉積速率（＜1nm/min）、亞納米量級(jí)表面平整度的HfO2介質(zhì)薄膜。
　　首先，研究了單層阻變層的Ni/HfO2/TiN結(jié)構(gòu)的阻變特性。通

3、過(guò)溫度特性對(duì)導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行研究，低阻態(tài)為金屬特性，高阻態(tài)為Ni/HfO2形成的肖特基發(fā)射。
　　其次，通過(guò)快速熱氧化(RTO)工藝，在TiN電極上制備6nm的低電阻TiOx薄膜，其具有較高電子注入能量，形成Ni/HfO2/TiOx/TiN結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有nA量級(jí)的阻變，通過(guò)理論分析，阻變機(jī)理為SCLC阻變機(jī)理。通過(guò)同樣的方法，使用RTO工藝，在TiN電極上制備6nm的AlOx薄膜，AlOx為寬禁帶半導(dǎo)體，提供了一個(gè)電子遂穿層，Ni/

4、HfO2/AlOx/TiN同樣能實(shí)現(xiàn)幾十nA量級(jí)的阻變。
　　最后，引進(jìn)了新型VOx材料應(yīng)用于HfO2阻變器件。Al/VOx/CuO/Cu具有不對(duì)稱的雙向限流作用，與Ni/HfO2/TiOx/TiN器件進(jìn)行串聯(lián)，為該HfO2阻變器件提供限流，形成1C1R結(jié)構(gòu)。通過(guò)HfO2、VOx疊層結(jié)構(gòu)，Cu/VOx/HfO2/TiN實(shí)現(xiàn)低功耗和多值存儲(chǔ)，并通過(guò)電化學(xué)蒙特卡洛模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
　　本文以研究基于HfO2阻變存儲(chǔ)器件的