本文關(guān)鍵詞：原子層淀積金屬氧化物阻變存儲器件研究　出處：《復(fù)旦大學(xué)》2012年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著閃存技術(shù)即將達(dá)到尺寸極限而面臨無法等比例縮小的問題,一種基于材料電阻轉(zhuǎn)變特性的電阻式存儲器(RRAM)由于其結(jié)構(gòu)簡單、可縮微能力強(qiáng)、高速、高密度、可三維集成以及與CMOS工藝良好的兼容性等諸多優(yōu)點(diǎn),被研究者們廣泛關(guān)注。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多具有阻變特性的介質(zhì)薄膜材料,然而在材料選擇、制備工藝,以及器件阻變存儲機(jī)理等方面還有很多問題值得探討。為此,本文開展了系統(tǒng)的研究。一方面,用原子層淀積(atomic layer deposition)方法制備了多種具有阻變特性的金屬氧化物介質(zhì),在材料制備、工藝優(yōu)化、器件阻變存儲特性、阻變微觀機(jī)制上做了系統(tǒng)研究；另一方面,針對RRAM器件所呈現(xiàn)出的性能不穩(wěn)定,提出了幾種行之有效的優(yōu)化和解決方法。 本文首先研究了近期業(yè)界廣泛關(guān)注的HfO2、La2O3、Nb2O5介質(zhì)材料,系統(tǒng)探索了原子層淀積HfO2、La2O3、Nb2O5三種氧化物的工藝條件,分析了其材料特性,并制備了基于這些材料的可與CMOS工藝兼容的RRAM器件。研究表明：(1) TiN/Nb2O5/Pt/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的RRAM器件具有較低的操作電壓,set電壓為1.2V, reset電壓為-1.2V；(2)TiN/La2O3/Pt/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的RRAM器件在1.5V時(shí)可以寫入信號,-0.6V電壓下擦除信號；(3)iN/Hf02/Pt/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的RRAM器件的set和reset過程發(fā)生在+3.5V和-3.5V；(4)三種RRAM器件均呈現(xiàn)雙極性阻變特性；(5)RRAM器件的on/off(?)關(guān)比分別為50、100、1000,均呈現(xiàn)不錯(cuò)的抗噪聲容限。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了RRAM器件的局部熔絲(filament)導(dǎo)電機(jī)制,發(fā)現(xiàn)熔絲斷裂的位置位于陽極附近,并用C-AFM直觀觀測到RRAM器件導(dǎo)電熔絲的存在。 其次,論文系統(tǒng)研究了ALD摻雜工藝對金屬氧化物RRAM存儲性能的作用。獨(dú)特的ALD氧化劑設(shè)計(jì)(如H2O2)可以引入過量氧摻入,使得氧空位與非鍵合氧的復(fù)合主導(dǎo)了金屬氧化物的阻變特性。研究發(fā)現(xiàn),在HfLaO薄膜中存在大量的非鍵合氧,保證了器件優(yōu)異的阻變特性�；贖fLaO薄膜的RRAM器件的高低阻值比達(dá)到106以上,并在10000次重復(fù)掃描中保持穩(wěn)定。同時(shí),擦寫速度也達(dá)到10ns。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明La摻入的Hf基金屬氧化物介質(zhì)薄膜具有優(yōu)異的阻變特性,該工藝優(yōu)化的器件在RRAM領(lǐng)域?qū)⒂辛己玫膽?yīng)用前景。深入研究了溫度對基于HfAlO(?)質(zhì)材料的RRAM器件的影響。研究發(fā)現(xiàn)RRAM阻變行為與溫度有密切關(guān)系,并且阻變特性能否發(fā)生存在一個(gè)關(guān)鍵溫度值,低于此溫度則阻變特性將會消失。研究表明,金屬氧化物RRAM的阻變機(jī)制是由受溫度影響的陷阱電荷的狀態(tài)所主導(dǎo),電流導(dǎo)致的焦耳熱效應(yīng)只起到輔助作用。 論文通過嵌入Al2O3緩沖層,對NbAlO材料的RRAM器件性能進(jìn)行了有效優(yōu)化,其擦寫操作可以在很低的電壓(±0.8V)范圍內(nèi)完成,使得存儲穩(wěn)定性大為提升。其原因是Al2O3材料與NbAlO材料存在較大的介電常數(shù)差異,重構(gòu)了RRAM器件中的電場分布：介電常數(shù)越小的區(qū)域電場強(qiáng)度越大。為了驗(yàn)證這種具有電場調(diào)制效應(yīng)的疊層結(jié)構(gòu)對RRAM優(yōu)化的作用,我們設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),制備了其它三種具有Al2O3緩沖薄介質(zhì)的疊層結(jié)構(gòu)TaN/Al2O3/NiO/Al2O3/Pt、 TaN/AlO3/ZnO/Al2O3/Pt以及TaN/Al2O3/Pt。實(shí)驗(yàn)證明用這樣獨(dú)特堆棧結(jié)構(gòu)來代替單一阻變層能夠增強(qiáng)RRAM器件的穩(wěn)定性。無論是單極性還是雙極性的RRAM器件,其阻變特性均能夠通過增加介電常數(shù)相對小的Al2O3電場調(diào)制層來進(jìn)行優(yōu)化。疊層結(jié)構(gòu)具有的這種電場調(diào)制的阻變效應(yīng)大大減小了RRAM器件電阻轉(zhuǎn)變過程中的隨機(jī)性。論文用matlab對上述結(jié)構(gòu)的RRAM阻變行為進(jìn)行了模擬,得到與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合的阻變電流電壓特性曲線,即具有電場調(diào)節(jié)作用的堆棧阻變層具有更為穩(wěn)定的阻變特性。 非揮發(fā)存儲器件中的多值存儲技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海量存儲的有效途徑。研究表明在RRAM器件中,通過改變set過程中的鉗制電流幅度(Iset)可以顯著改變電阻值的大小,即可以通過這種控制set過程中的鉗制電流幅度方式有效地實(shí)現(xiàn)器件的多值存儲功能。但是鉗制電流對低電阻(LRS)值的影響也明顯分成兩個(gè)部分：當(dāng)鉗制電流設(shè)置較大時(shí),LRS阻值與Iset成線性關(guān)系,Iset越大,LRS越��；當(dāng)Iset1mA時(shí),LRS隨電流Iset變化很小,Iset對LRS調(diào)制作用消失,其原因來源于測試設(shè)備的電流過沖現(xiàn)象,這一現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。用嵌入金屬納米晶的方法實(shí)現(xiàn)了對金屬氧化物RRAM阻變特性的優(yōu)化。制備了TaN/Al2O3:RuNCs:Al2O3/Pt結(jié)構(gòu)的RRAM器件。這種嵌入釕納米晶的方法大大提升了氧化鋁RRAM器件的阻變存儲特性,其開關(guān)比保持在105以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未嵌入納米晶的102的數(shù)據(jù)。同時(shí),嵌入納米晶的RRAM器件在數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和保持特性上都有較大提升。
[Abstract]:With flash technology will reach the size limit and can not face the scaling problem, a resistance type memory characteristic change material based on resistance (RRAM) due to its simple structure, can be a strong ability, high speed, high density, many of the advantages of three-dimensional integrated with CMOS technology and good compatibility, by researchers wide attention. Studies have found that a lot of dielectric thin film material resistance change characteristics, but in material selection, preparation process and device, resistive memory mechanism and other aspects there are many issues worthy of study. Therefore, this paper carried out a systematic study. On the one hand, using atomic layer deposition (atomic layer deposition) preparation method with a variety of metal oxide dielectric resistance change characteristics, in the material preparation, process optimization, resistive memory devices, resistive micro mechanism were studied; on the other hand, according to RRAM The performance of the parts is unstable, and several effective optimization and solutions are put forward.
La2O3 this paper studies the recent widespread concern in the industry, HfO2, Nb2O5 materials, systematically explore atomic layer deposition of HfO2, La2O3, Nb2O5 three kinds of oxide process conditions, analyzes its material properties and preparation of RRAM materials can be compatible with these devices based on CMOS technology. The research showed that: (1) RRAM TiN/Nb2O5/Pt/SiO2/Si device structure has a lower operating voltage, the set voltage is 1.2V, voltage is reset -1.2V; (2) the RRAM device TiN/La2O3/Pt/SiO2/Si can write signal in 1.5V, voltage of -0.6V erase signal; (3) set and reset RRAM devices iN/Hf02/Pt/SiO2/Si structure occurred in +3.5V and -3.5V (4; three) RRAM devices show bipolar resistive properties; (5) RRAM device on/off (?) than were 501001000, showed a good anti noise tolerance. Experiments prove that local fuse RRAM devices (filament) It is found that the position of fuse breaking is located near the anode and is intuitively observed in the presence of the conductive fuse of the RRAM device by C-AFM.
Secondly, this paper studied effects of ALD doping process on metal oxide RRAM storage performance. The unique design of ALD oxidizer (such as H2O2) can introduce excessive oxygen incorporation, the oxygen vacancy and non bonding oxygen compound leading variable characteristics of metal oxide resistance. The study found that there are a large number of non bonding oxygen in HfLaO films, the variation characteristics of the device with excellent resistance. High resistance RRAM device based on HfLaO films is more than 106, and remained stable in 10000 repeated scan. At the same time, write speed reached 10ns. the experimental data show that the Hf based metal oxide dielectric thin film La doped with varying characteristics of excellent resistance the optimization process, the device will have a good application prospect in the field of RRAM. Based on the in-depth study of the temperature on the HfAlO (?) RRAM device material. The study found that RRAM resistive behavior and temperature are closely related, and There is a critical temperature value for the occurrence of resistive characteristics. If the temperature is lower than that, the resistance characteristic will disappear. The research shows that the resistance mechanism of metal oxide RRAM is dominated by the state of trap charge affected by temperature, and the Joule heating effect caused by current plays a supplementary role only.
The embedded Al2O3 buffer layer, RRAM devices on the properties of NbAlO materials are effective optimization, the erase operation can be in low voltage (0.8V) range, the storage stability is greatly improved. The reason is that there are large differences in the dielectric constant of Al2O3 material and NbAlO material, the electric field in RRAM devices the electric field strength distribution reconstruction: dielectric constant smaller. Laminated structure in order to verify the effect of electric field modulation with RRAM optimization, we design the system experiments, the other three laminates TaN/Al2O3/NiO/Al2O3/Pt with thin Al2O3 buffer medium was prepared, and the experiment shows that this TaN/Al2O3/Pt. TaN/AlO3/ZnO/Al2O3/Pt the unique stack structure to replace the single resistive layer can enhance the stability of the RRAM device. Both unipolar or bipolar RRAM devices, the resistance change characteristics were able to Optimized by increasing the Al2O3 electric field modulation layer dielectric constant relatively small. This electric field has a laminated structure of the resistive effect greatly reduces the randomness of the RRAM resistance of the device in the transformation process. We use matlab RRAM to the structure of the variable resistance behavior simulation, have very good agreement with the experimental data. The resistive current voltage characteristic curve, which has regulating effect of electric field stack resistance variable layer has more stable resistive properties.
Non volatile memory device in multi valued storage technology is an effective way to achieve mass storage. The results indicate that in RRAM devices, by changing the holding current amplitude in the process of set (Iset) can significantly change the resistance value of the size, or through the control holding current amplitude methods during set can effectively realize the multiple devices the value of storage function. But the holding current of low resistance (LRS) value of the impact was also divided into two parts: when the holding current is high, the LRS resistance linear relationship with Iset, Iset is larger, the smaller the LRS; when Iset1mA, LRS with the current Iset change is very small, Iset to the LRS modulation effect disappeared the reason, the current source test equipment overshoot phenomenon, this phenomenon has been verified in the experiment. Using the method of embedding metal nanocrystals has been optimized on the rheological properties of metal oxide RRAM resistance. TaN/ Al2O3:RuNCs:Al2 prepared RRAM O3/Pt device structure. This method of embedding ruthenium nanocrystals greatly enhance the alumina RRAM device resistive switching characteristics, the switching ratio remained above 105, far greater than not embedded nanocrystals 102 data. At the same time, the RRAM device embedded nanocrystals have greatly improved in the stability of the data and keep the characteristics.

【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TP333

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