本文關鍵詞：新型非易失性存儲器的原子層沉積技術制備及其存儲性能的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,隨著半導體技術和IT技術的發(fā)展,半導體存儲器產(chǎn)業(yè)取得長足的進步。其中閃存存儲器因其優(yōu)異的性價比,獲得廣泛應用。然而,目前閃存存儲器已經(jīng)接近它工作原理的物理極限尺寸,面臨著存儲密度、功耗和可靠性方面的一系列挑戰(zhàn)。為了解決這些問題,多種新型非易失性存儲器,成為研究的熱點。納米晶存儲器采用分立式電荷存儲單元,因可靠性程度高、較快讀取速度、較大存儲密度突出優(yōu)點,正日益成為下一代非易失存儲器研究的重點。而阻變存儲器(resistance random access memory, RRAM))結構簡單,操作電壓低,可縮微性強,半導體工藝兼容性好,也是新型非易失性存儲器的有力競爭者。在關注新型存儲器結構和存儲材料的同時,發(fā)展與半導體工藝兼容的新型存儲器制備工藝也十分關鍵。原子層沉積(Atomic layer deposition, ALD)作為一種新型薄膜沉積技術,它的原理是使用氣態(tài)反應物在襯底表面發(fā)生化學吸附反應,具有自限制性與自飽和性的特點,保證了沉積的均勻性和三維貼合性。近些年,ALD在半導體、納米技術、新能源等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景和巨大的發(fā)展優(yōu)勢。因此,本論文采用適合大規(guī)模生產(chǎn)的ALD技術,制備了兩種新型非易失性存儲器：Ti-A1-O納米晶存儲器和HfO_2/TiO_2/HfO_2疊層阻變存儲器,并對沉積工藝、存儲器件的微觀結構以及存儲特性進行了深入的研究。主要進展如下：1、采用ALD技術,制備一種以A1_2O_3作隧穿層和阻擋層,Ti-Al-O復合薄膜作為電荷俘獲層的納米晶存儲器,對不同溫度下退火的Ti-Al-O納米晶存儲器的界面微結構和電荷存儲性能進行了表征。高分辨透射電鏡照片表明：800℃退火的Al_2O_3/Ti-Al-O/Al_2O_3/Si樣品界面清晰,每層厚度分別為11.7 nnm/10.4nm/2.9 nm,且有約為3 nm的納米晶在Ti-Al-O電荷存儲層析出；而900℃退火樣品,由于嚴重的互擴散,電荷俘獲層與阻擋層的界面已經(jīng)無法區(qū)分,隧穿層變薄只有2.3 nm,Ti-Al-O層析出的納米晶增大為10 nm。對應的電學測試證實納米晶存儲器的存儲性能與納米晶的數(shù)量和存儲器界面微結構直接相關。800℃退火的樣品表現(xiàn)出較大的存儲窗口,±6 V掃描時存儲窗口為4.8 V,900℃樣品居中,存儲窗口為2.8 V,700 ℃樣品存儲窗口最小僅為0.7 V,與其沒有足夠的納米晶生成有關。同時800 ℃退火樣品也展示出最佳的開關速度,最大的電荷存儲密度,±6 V電壓掃描時為1.63×1013/cm2,優(yōu)異的抗疲勞特性,經(jīng)過105次的寫入/擦除操作后,室溫和80℃下器件的存儲窗口沒有明顯的改變。X射線光電子能譜(XPS)研究了800℃退火樣品Al_2O_3/TAO/Al_2O_3/Si的能帶排列圖,表明Ti-Al-O電荷存儲層與A1_2O_3隧穿層/阻擋層之間形成了1.49 eV和1.15 eV深的量子勢阱,有利于電荷的存儲和保持。目前800℃退火樣品的保持特性還有待于進一步優(yōu)化。2、采用ALD技術在Si/SiO_2/Ti/Pt和Si/TiN襯底上制備了HfO_2/TiO_2/HfO_2疊層結構的阻變存儲器件,重點研究了Pt和TiN底電極對疊層結構阻變特性的影響,并對阻變機理予以了解釋。電學測試表明：Pt/HfO_2/TiO_2/HfO_2/Pt和TiN/HfO_2/TiO_2/HfO_2/Pt疊層結構均表現(xiàn)為雙極型阻變。低阻態(tài)時,導電機制遵循歐姆定律,符合導電細絲理論中的氧空位遷移模型；高阻態(tài)為陷阱控制的空間電荷限制電流傳導模型。XPS結果顯示HfO_2比TiO_2薄膜中具有更高的氧空位濃度,有利于HfO_2/TiO_2/HfO_2疊層結構中導電通道的形成。同時,疊層結構自身所具有電場調制的特點,可以減小阻變存儲器在阻變過程中生成導電細絲的隨機性,有效提高了器件的穩(wěn)定性。兩種結構均顯示了較好的抗疲勞特性和數(shù)據(jù)保持能力。然而,不同底電極Pt和TiN對forming電壓的極性、高低阻態(tài)比值以及阻變操作電壓的分散性產(chǎn)生明顯的影響。Pt襯底的RRAM需要一個+7 V的forming電壓,set電壓為+2V,reset電壓為-0.8 V,高低阻值比達到105以上；而TiN襯底的forming電壓為-4V,且極性相反,set電壓為-1.5 V,reset電壓為1.5 V,高低阻值比僅為102。與Pt襯底的RRAM相比,TiN襯底上不同阻變存儲單元具有更好的開關電壓一致性,且同一存儲單元,多次開關操作電壓分布也相對較為集中。造成這種差異最重要的原因,是由于導電細絲的形成,明顯被絕緣層中初始氧空位的分布所影響。TiN電極是一種親氧性的電極,臨近TN底電極的HfO_2薄膜中存在著大量的氧空位,容易形成氧空位導電通道,具有較好的阻變參數(shù)一致性�？紤]電極和疊層結構對阻變效應的調控作用,為阻變存儲器件結構設計提供了新思路。
【關鍵詞】：原子層沉積 納米晶存儲器 阻變存儲器 非易失性存儲器
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-35
• 1.1 引言13-14
• 1.2 浮柵型存儲器的工作原理及發(fā)展狀況14-16
• 1.3 電荷俘獲型存儲器16-21
• 1.3.1 納米晶存儲器17
• 1.3.2 缺陷俘獲型存儲器17-19
• 1.3.3 電荷俘獲型存儲器的電學性能19-21
• 1.4 阻變存儲器21-26
• 1.4.1 阻變存儲器的研究21-23
• 1.4.2 阻變存儲器性能的主要參數(shù)23-25
• 1.4.3 阻變存儲器的阻變機理25-26
• 1.5 原子層沉積技術(ALD)26-27
• 1.6 本文研究意義及主要內容27-29
• 參考文獻29-35
• 第二章 原子層沉積技術制備及其樣品表征方法35-46
• 2.1 ALD制備工藝35-42
• 2.1.1 ALD的原理35-37
• 2.1.2 ALD的特點37-38
• 2.1.3 實驗所用ALD系統(tǒng)簡介38-41
• 2.1.4 快速熱退火系統(tǒng)41-42
• 2.2 薄膜材料測試方法42
• 2.2.1 X射線光電子能譜42
• 2.2.2 透射電子顯微技術42
• 2.2.3 原子力顯微技術42
• 2.2.4 掃描電子顯微技術42
• 2.3 器件電學測試方法42-44
• 2.3.1 Keithley 4200半導體特性分析系統(tǒng)42-43
• 2.3.2 CasCade集成電路測試平臺43-44
• 參考文獻44-46
• 第三章 ALD制備Ti-Al-O納米晶存儲器及其存儲性能研究46-60
• 3.1 引言46
• 3.2 樣品的制備工藝46-48
• 3.3 樣品的組成和微結構表征48-50
• 3.4 能帶分析50-53
• 3.5 樣品的電學性能53-57
• 3.5.1 電荷存儲性能53-55
• 3.5.2 寫入/擦除速度55-56
• 3.5.3 抗疲勞特性與保持特性56-57
• 3.6 本章小結57-58
• 參考文獻58-60
• 第四章 ALD制備HfO_2/TiO_2/HfO_2疊層阻變存儲器及其存儲性能研究60-78
• 4.1 引言60
• 4.2 樣品的制備工藝60-62
• 4.3 樣品的組成、結構和形貌表征62-65
• 4.4 樣品的電學性能65-70
• 4.5 樣品的阻變機理分析70-74
• 4.6 本章小結74-76
• 參考文獻76-78
• 第五章 結論與展望78-81
• 5.1 結論78-79
• 5.2 展望79-81
• 研究生期間發(fā)表的論文81-83
• 致謝83-84

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