【摘要】：微電子產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)久以來(lái)一直在尋求一種擁有高存儲(chǔ)密度、快速編程、低成本、低能耗的非易失性存儲(chǔ)器,即使斷開電源后數(shù)據(jù)仍然能夠保存。由于擁有較高的存儲(chǔ)密度和低的生產(chǎn)成本,Flash存儲(chǔ)器仍是現(xiàn)在市場(chǎng)上非易失性存儲(chǔ)器的主流產(chǎn)品,然而Flash存儲(chǔ)技術(shù)本身存在一些致命弱點(diǎn)如編程速度慢、操作電壓高、耐久力較差等。此外,伴隨著半導(dǎo)體器件的特征尺寸在2016年減小到22nm以后,基于電荷存儲(chǔ)的傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)將走到物理和技術(shù)的極限。鐵電存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)器也受到器件縮放方面的挑戰(zhàn),其中最主要的原因是在越來(lái)越小的器件中很難穩(wěn)定保持住足夠多的電子。近來(lái),阻變存儲(chǔ)器作為一種新型非易失性存儲(chǔ)器受到了人們的廣泛關(guān)注。阻變存儲(chǔ)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程速度快、操作電壓低、能耗小、密度高和可以3D集成等優(yōu)點(diǎn),更為重要的是它基于非電荷存儲(chǔ)機(jī)制。阻變存儲(chǔ)器是一種金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)的器件,它自身的電阻可以在外界電壓信號(hào)的調(diào)制下實(shí)現(xiàn)高、低電阻態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)變。到目前為止,阻變行為在各種材料中被發(fā)現(xiàn),包括金屬氧化物材料、固體電解質(zhì)材料和有機(jī)材料。在眾多材料中,簡(jiǎn)單氧化物由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)和與傳統(tǒng)CMOS工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)成為人們研究的熱點(diǎn)。但是,目前此類材料的阻變開關(guān)機(jī)制仍存在較大爭(zhēng)議,這嚴(yán)重阻礙了阻變存儲(chǔ)器在未來(lái)非易失性存儲(chǔ)技術(shù)中的應(yīng)用。 在本工作中,我們對(duì)簡(jiǎn)單氧化物薄膜的阻變行為進(jìn)行了研究,包括單極型和雙極型阻變行為。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,重點(diǎn)討論了目前仍存在較大爭(zhēng)議的阻變機(jī)制,并探索了幾種簡(jiǎn)單氧化物材料應(yīng)用于阻變存儲(chǔ)器的可行性。主要工作成果概括如下： 1.首次報(bào)道了四氧化三鈷薄膜的單極型阻變開關(guān)行為。Pt/Co3O4/Pt單元器件在室溫下的開關(guān)次數(shù)超過(guò)200次,器件高、低阻態(tài)的電阻值比大于5×103,器件高、低阻態(tài)的電阻保持16h后沒有表現(xiàn)出任何的衰退趨勢(shì)。器件高阻態(tài)的電阻隨溫度的升高而減小,展現(xiàn)出半導(dǎo)體特性；低阻態(tài)的電阻隨溫度的升高而增大,展現(xiàn)出了金屬特性。我們認(rèn)為非化學(xué)計(jì)量比(氧含量不足)的鈷氧化物組成的導(dǎo)電通道的形成與斷裂導(dǎo)致了四氧化三鈷薄膜的阻變現(xiàn)象。 2.探索了非昌氧化镥薄膜應(yīng)用于阻變存儲(chǔ)器的可行性。我們選擇了非晶氧化镥薄膜,其主要原因是伴隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,當(dāng)器件的特征尺寸小于22 nm時(shí),器件的尺寸將接近多晶氧化物晶粒的尺寸。在這種情況下,不同晶粒取向和晶界在各個(gè)單元器件中的隨機(jī)分布會(huì)導(dǎo)致不同器件性能的差異,而采用非晶氧化物材料可以有效地免這方面的問(wèn)題。非晶氧化镥薄膜曾被作為高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料的候選材料研究過(guò),與傳統(tǒng)的CMOS工藝的兼容性已得到證實(shí)。因此,我們選取非晶氧化镥薄膜作為絕緣層,對(duì)Pt/Lu2O3/Pt器件的單極型阻變特性進(jìn)行了研究,獲得了較好實(shí)驗(yàn)結(jié)果：器件高、低阻態(tài)的電阻值比大于1×103,編程時(shí)間小于30ns,器件經(jīng)歷了300次開關(guān)循環(huán)和3.2×106s保持后沒有表現(xiàn)出任何衰退趨勢(shì)。 3.深入探討并分析了氧化镥薄膜的阻變開關(guān)機(jī)制。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜中氧離子的遷移在開關(guān)過(guò)程中起到了非常關(guān)鍵的作用,在非晶氧化物薄膜中排除晶界等因素的影響,我們認(rèn)為此類器件的阻變行為是導(dǎo)電通道及其附近的氧空位相關(guān)的缺陷在器件電阻態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的分布與重分布導(dǎo)致的。 4.在Pt/GaOx/ITO器件和Ti/GaOx/ITO器件中發(fā)現(xiàn)了開關(guān)方向相反的雙極型阻變開關(guān)行為。在兩種單元器件的制備過(guò)程中,通過(guò)控制氧化鎵薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的沉積溫度和腔內(nèi)氣壓,我們有效避免了其它材料實(shí)現(xiàn)阻變開關(guān)前必須經(jīng)歷的形成過(guò)程。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,我們認(rèn)為電場(chǎng)力作用下氧空位的遷移引起Pt/GaOx界面肖特基勢(shì)壘的變化是Pt/GaOx/ITO器件實(shí)現(xiàn)阻變開關(guān)的主要原因,而Ti/GaOx界面處的氧化還原反應(yīng)則是導(dǎo)致Ti/GaOx/ITO器件阻變開關(guān)行為的主要原因。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了電極與薄膜界面處氧空位的遷移在阻變過(guò)程中起到了非常關(guān)鍵的作用。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TP333

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 左青云;劉明;龍世兵;王琴;胡媛;劉琦;張森;王艷;李穎_";;阻變存儲(chǔ)器及其集成技術(shù)研究進(jìn)展[J];微電子學(xué);2009年04期

2 王永;管偉華;龍世兵;劉明;謝常青;;阻變式存儲(chǔ)器存儲(chǔ)機(jī)理[J];物理;2008年12期

，

本文編號(hào)：2658309