發(fā)布時(shí)間：2017-05-01 08:02

  本文關(guān)鍵詞：等離子體增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)制備阻變存儲(chǔ)器及其性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：阻變存儲(chǔ)器(ReRAM)是國際公認(rèn)的下一代主流存儲(chǔ)器的有力競(jìng)爭(zhēng)者,具有單元尺寸小、讀寫速度快、功耗低、制備工藝和器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。近年來,世界各國競(jìng)相開發(fā)ReRAM材料及器件。其中,二元金屬氧化物和氮化物由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易得到精確化學(xué)計(jì)量比,且與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝兼容,使得它們成為最具應(yīng)用前景,同時(shí)也是研究最多的ReRAM材料。原子層沉積技術(shù)(ALD)作為一種新興的超薄薄膜制備技術(shù),能夠制備大面積均勻、厚度和組分精確可控的高保形性薄膜,特別適用于阻變介質(zhì)層厚度通常只有幾納米～幾十納米的ReRAM器件的制造。ZnO和A1N是具有優(yōu)異電阻開關(guān)特性的阻變介質(zhì)層材料,通常使用物理氣相沉積技術(shù)制備；而使用ALD技術(shù)卻未見報(bào)道。這是因?yàn)?傳統(tǒng)熱原子層沉積技術(shù)(Thermal ALD)所帶來的缺陷并不能完全滿足ReRAM對(duì)阻變介質(zhì)層材料的需要；使用Thermal ALD也很難在低溫下方便地制備金屬氮化物。與ThermalALD相比,等離子體增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)(PEALD)是一種能量增強(qiáng)的ALD技術(shù),它利用等離子體自由基的高反應(yīng)活性來增強(qiáng)薄膜的沉積過程,從而改善薄膜的性能,拓寬阻變介質(zhì)層材料的選擇范圍。本文率先采用PEALD技術(shù)制備了這兩種典型的二元金屬氧化物和氮化物薄膜基阻變存儲(chǔ)器,并系統(tǒng)研究了它們的電阻開關(guān)特性和阻變機(jī)理；在此基礎(chǔ)上,通過原位等離子體處理、單原子層摻雜等缺陷控制手段,優(yōu)化薄膜工藝條件,改善器件單元的電阻開關(guān)特性。取得了如下具有創(chuàng)新意義的研究結(jié)果：(1)系統(tǒng)研究了Thermal ALD和PEALD制備ZnO薄膜的工藝參數(shù)對(duì)ZnO薄膜生長(zhǎng)速率、晶體結(jié)構(gòu)、薄膜形貌、電學(xué)特性和光學(xué)特性等的影響,為ZnO基阻變存儲(chǔ)器的制備奠定研究基礎(chǔ)。Thermal ALD使用H2O作為反應(yīng)物,制備的薄膜電阻率通常小于10Ω·cm。PEALD使用氧等離子體作為反應(yīng)物,制備的薄膜電阻率大于104Ω.cm。(2)率先采用PEALD制備出缺陷較低、質(zhì)量較好的Al/ZnO/Pt阻變存儲(chǔ)器器件單元,發(fā)現(xiàn)了優(yōu)異的非易失性電阻開關(guān)特性。Thermal ALD制備的ZnO薄膜電阻率很小,不具有電阻開關(guān)特性。通過引入反應(yīng)活性更高、氧化性更強(qiáng)的氧等離子體來代替H20作為反應(yīng)物,減少了薄膜制備過程中缺陷的引入,提高薄膜電阻率,所制備的器件單元開關(guān)比大于103；經(jīng)過104s以上的非易失性測(cè)試,器件的電阻未發(fā)生明顯改變。在小電壓的作用下,器件的導(dǎo)電機(jī)制符合歐姆定律；在較大電壓的作用下,器件的導(dǎo)電機(jī)制符合空間電荷限制電流機(jī)制。器件的阻變機(jī)理是薄膜中氧空位(或氧離子)導(dǎo)電絲的生成和斷裂。(3)采用先進(jìn)的原位/非原位等離子體處理技術(shù)控制ZnO薄膜中的氧空位、氫雜質(zhì)等缺陷,制備出電阻開關(guān)特性優(yōu)異的Al/ZnO/Pt阻變存儲(chǔ)器器件單元。Thermal ALD制備的ZnO薄膜中因?yàn)楹羞^多的缺陷而不具有電阻開關(guān)特性,對(duì)該薄膜進(jìn)行氧等離子體處理能夠去除ZnO薄膜中的缺陷,提升ZnO薄膜的電阻率,從而使得Al/Thermal ALD-ZnO/Pt器件顯示出優(yōu)異的電阻開關(guān)特性。研究發(fā)現(xiàn),采用原位氧等離子體處理技術(shù)能夠得到更好的電阻開關(guān)特性,器件單元的平均開關(guān)比是非原位氧等離子體處理技術(shù)的三倍。研究(2)和(3)證明了,氧等離子體無論作為反應(yīng)物還是后處理物,均有利于提升ZnO基阻變存儲(chǔ)器的電阻開關(guān)特性。(4)率先采用PEALD制備出電阻開關(guān)特性優(yōu)異的Cu/AlN/Pt阻變存儲(chǔ)器器件單元,并對(duì)其阻變機(jī)理進(jìn)行研究；結(jié)合半導(dǎo)體工業(yè)常用的器件制備方法,制備出Cross-bar結(jié)構(gòu)的AlN基ReRAM器件陣列。由于Thermal ALD技術(shù)很難在低溫下方便地制備AlN薄膜；因此,需要引入氮?dú)浠旌蠚獾入x子體作為反應(yīng)物,采用PEALD在低溫下(332℃)制備高質(zhì)量的AlN薄膜。研究發(fā)現(xiàn),AlN薄膜本身不具備電阻開關(guān)特性,其電阻開關(guān)特性主要來源于器件頂電極Cu的電化學(xué)金屬化過程。器件的阻變機(jī)理是薄膜中Cu導(dǎo)電絲的生成和斷裂,不同于前述的ZnO基阻變存儲(chǔ)器。結(jié)合圖形曝光、濕法刻蝕和金屬掩模技術(shù),得到了電阻開關(guān)特性優(yōu)異的ReRAM器件陣列,為器件的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)一步奠定了基礎(chǔ)。(5)采用PEALD對(duì)AlN薄膜進(jìn)行原子層尺度(單原子層)的摻雜,實(shí)現(xiàn)阻變介質(zhì)層材料結(jié)構(gòu)可控、性能可調(diào),從而提升器件的電阻開關(guān)特性；并對(duì)器件的摻雜改性機(jī)理進(jìn)行研究。AlN薄膜是半導(dǎo)體工業(yè)常用的絕緣層材料,低溫下制備的AlN薄膜具有較高的電阻。因此,器件需要非常高的激活電壓(-8.5V),這會(huì)導(dǎo)致器件的永久性擊穿。通過TiOxNy單原子層摻雜,向薄膜中人為注入缺陷,改變器件的激活方式,使得器件中Cu導(dǎo)電絲的生成和斷裂更加容易；從而降低器件的激活電壓,提升器件的穩(wěn)定性和可靠性。
【關(guān)鍵詞】：阻變存儲(chǔ)器 原子層沉積技術(shù) 等離子體增強(qiáng) 氧化鋅 氮化鋁 電阻開關(guān)特性
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP333
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-15
• 第二章 文獻(xiàn)綜述15-41
• 2.1 非易失性存儲(chǔ)器的研究現(xiàn)狀15-19
• 2.1.1 鐵電存儲(chǔ)器15-16
• 2.1.2 磁阻存儲(chǔ)器16-17
• 2.1.3 相變存儲(chǔ)器17-18
• 2.1.4 阻變存儲(chǔ)器18
• 2.1.5 不同非易失性存儲(chǔ)技術(shù)性能比較18-19
• 2.2 阻變存儲(chǔ)器和電阻開關(guān)特性19-34
• 2.2.1 電阻開關(guān)特性分類19-21
• 2.2.2 阻變存儲(chǔ)器阻變機(jī)理21-28
• 2.2.3 阻變存儲(chǔ)器關(guān)鍵性能參數(shù)28-30
• 2.2.4 阻變存儲(chǔ)器材料及研究現(xiàn)狀30-33
• 2.2.5 阻變存儲(chǔ)器的制備方法33-34
• 2.3 原子層沉積技術(shù)和等離子體增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)34-38
• 2.3.1 原子層沉積和等離子體增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)特點(diǎn)34-38
• 2.3.2 原子層沉積技術(shù)在ReRAM領(lǐng)域的應(yīng)用38
• 2.4 立題依據(jù)與主要研究?jī)?nèi)容38-41
• 2.4.1 立題依據(jù)38-39
• 2.4.2 主要研究?jī)?nèi)容39-41
• 第三章 實(shí)驗(yàn)過程及測(cè)試方法41-49
• 3.1 器件制備設(shè)備簡(jiǎn)介41-44
• 3.1.1 原子層沉積系統(tǒng)41-44
• 3.1.2 高真空復(fù)合鍍膜系統(tǒng)44
• 3.2 器件制備流程44-46
• 3.2.1 襯底選擇和清洗45
• 3.2.2 底電極制備45
• 3.2.3 阻變介質(zhì)層材料制備45
• 3.2.4 頂電極制備45-46
• 3.3 測(cè)試及表征方法46-49
• 3.3.1 材料測(cè)試和表征46-47
• 3.3.2 器件測(cè)試和表征47-49
• 第四章 ALD制備ZnO薄膜及基本性能研究49-67
• 4.1 引言49
• 4.2 Thermal ALD制備ZnO薄膜49-53
• 4.2.1 Thermal ALD-ZnO薄膜制備過程研究49-51
• 4.2.2 DEZn注入時(shí)間對(duì)Thermal ALD-ZnO薄膜生長(zhǎng)速率的影響51-52
• 4.2.3 襯底溫度對(duì)Thermal ALD-ZnO薄膜生長(zhǎng)速率的影響52-53
• 4.3 PEALD制備ZnO薄膜53-56
• 4.3.1 PEALD-ZnO薄膜制備過程研究53-56
• 4.3.2 襯底溫度對(duì)PEALD-ZnO薄膜生長(zhǎng)速率的影響56
• 4.4 Thermal ALD-ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和性能56-61
• 4.4.1 Thermal ALD-ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌56-59
• 4.4.2 Thermal ALD-ZnO薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能59-61
• 4.5 PEALD-ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和性能61-64
• 4.5.1 PEALD-ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌61-63
• 4.5.2 PEALD-ZnO薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能63-64
• 4.5 本章小結(jié)64-67
• 第五章 PEALD-ZnO基阻變存儲(chǔ)器電阻開關(guān)特性研究67-79
• 5.1 引言67
• 5.2 Al/ZnO/Pt器件的制備67-68
• 5.3 不同Al/ZnO/Pt器件Ⅰ-Ⅴ特性分析68-69
• 5.4 Al/PEALD-ZnO/Pt阻變存儲(chǔ)器電阻開關(guān)特性研究69-73
• 5.5 Al/PEALD-ZnO/Pt阻變存儲(chǔ)器阻變機(jī)理分析73-76
• 5.6 ZnO薄膜厚度對(duì)阻變存儲(chǔ)器性能的影響76-77
• 5.7 本章小結(jié)77-79
• 第六章 氧等離子體處理對(duì)ZnO基阻變存儲(chǔ)器電阻開關(guān)特性的影響79-91
• 6.1 引言79
• 6.2 氧等離子體處理工藝79-82
• 6.2.1 原位氧等離子體處理工藝80-81
• 6.2.2 非原位氧等離子體處理工藝81
• 6.2.3 氧等離子體處理對(duì)ZnO表面粗糙度的影響81-82
• 6.3 氧等離子體對(duì)Al/ZnO/Pt器件電阻開關(guān)特性的影響82-87
• 6.4 氧等離子體缺陷調(diào)控與器件電阻開關(guān)特性研究87-89
• 6.5 本章小結(jié)89-91
• 第七章 PEALD制備AlN薄膜及其電阻開關(guān)特性研究91-105
• 7.1 引言91
• 7.2 PEALD-AlN薄膜制備和性能研究91-95
• 7.2.1 PEALD制備AlN薄膜91-92
• 7.2.2 PEALD-AlN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成92-95
• 7.3 Cu/PELAD-AlN/Pt阻變存儲(chǔ)器電阻開關(guān)特性研究95-98
• 7.4 Cu/PELAD-AlN/Pt阻變存儲(chǔ)器阻變機(jī)理分析98-102
• 7.5 AlN基Cross-bar器件陣列的制備及其電阻開關(guān)特性研究102-104
• 7.5.1 Cross-bar器件陣列的制備102-103
• 7.5.2 Cross-bar器件陣列的電阻開關(guān)特性103-104
• 7.6 本章小結(jié)104-105
• 第八章 原子層摻雜對(duì)AlN基阻變存儲(chǔ)器電阻開關(guān)特性的影響105-119
• 8.1 引言105
• 8.2 Cu/PEALD-AlN/Pt器件電激活過程分析105-107
• 8.3 原子層摻雜工藝107-109
• 8.3.1 PEALD制備單原子層TiO_xN_y107-108
• 8.3.2 PEALD制備AlN：Ti薄膜108-109
• 8.4 原子層摻雜對(duì)Cu/AlN/Pt電阻開關(guān)特性的影響109-115
• 8.5 Cu/AlN：Ti/Pt器件阻變機(jī)理分析115-117
• 8.6 本章小結(jié)117-119
• 第九章 全文總結(jié)119-123
• 參考文獻(xiàn)123-137
• 致謝137-139
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷139-141
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果141-

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本文編號(hào)：338503