基于氧化钽材料阻变存储器的阻变特性与导电机制研究

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1、中图分类号：TN303；TN304.9论文编号：153113312学科分类号：510.3030密级：天津理工大学研究生学位论文基于氧化钽材料阻变存储器的阻变特性与导电机制研究（申请硕士学位）一级学科：电子科学与技术学科专业：微电子学与固体电子学研究方向：半导体薄膜材料与器件作者姓名：王一川指导教师：朱宁研究员2018年3月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeStudyonTheResistiveSwitchingPropertiesandCond

2、uctionMechanismofRRAMBasedTaOxMaterialByYichuanWangSupervisorPro.NingZhuMarch,2018摘要随着科技的发展和我国第三次消费结构升级转型，高集成度的电子消费产品越来越受到人们的青睐。其中，存储器作为消费电子不可或缺的组成部分，越发受到产业链所关注。Flash存储器作为成熟的非挥发性存储器，由于其操作速度快、存储密度大等特点而被广泛应用。然而，随着Flash器件单元尺寸的缩小，其发展程度也收到了很大的限制，所以新型非挥发性存储器的研究迎来了一个新的高潮。其中，阻变存储器

3、(RRAM，ResistiveRandomAccessMemory)集成度高，工艺简单，操作速度快，功耗相比其他新型存储器较低等优势，成为了新型存储器的有力竞争者之一。近十年来，阻变存储器得到了迅速发展，由于阻变层的选择决定了阻变存储器的存储能力，因此各种材料的阻变层相继进行了研究，其中氧化物作为一种易于制备，工艺简单的材料而被应用。TaOx材料由于其优异的耐受性(endurance)和较快的擦写速度(<150ps)成为了氧化物基阻变存储器研究热点。本论文实验所制备的器件均采用射频磁控溅射生长完成，而插层则是采用离子束溅射精确控制厚度制备完

4、成。一方面，利用AFM和XPS对薄膜的表面形貌进行表征，一方面使用半导体参数分析仪测试器件的电学性能，进而对器件的阻变性能和传输机理进行研究和分析。首先对Ta/TaOx/Pt结构未插层器件的工艺条件进行改善。通过对比不同氧分压和厚度阻变层的未插层器件电学特性，得出3%氧分压下，厚度为10nm的未插层器件性能比较稳定。然后以此未插层器件为基础，进行了结构上的优化，在上电极和阻变层之间插入薄层金属Ti或者Hf，厚度均为1nm。对比三种器件的电学性能，得出了Ti插层器件的性能最为优异，高低阻态的稳定性最好。最后对三种器件的薄膜表面进行表征、I-V

5、曲线的线性拟合以及阻变模型的建立，发现插层器件的传输机理并没有由于金属插层的加入而得到改变，金属薄层的加入只是充当串联电阻以及储氧层的作用，防止器件出现硬击穿，而且由于HfOx的标准生成吉布斯自由能比TiOx要大，所以不是任何金属作为插层都能起到积极的作用。在Ta/TaOx/Pt结构器件加入Ti插层可以改善性能的基础上，研究插入Ti层的厚度对器件性能的影响。通过对比四种不同厚度Ti插层器件的电学性能，得出较厚Ti插层器件的性能反而会下降。最后通过线性拟合和模型建立，得出过厚的Ti插层会降低器件性能的原因。通过本论文相关实验，证实了合适厚度的

6、金属插层可以提升未插层器件的阻变特性，为改善离子型阻变存储器的稳定性提供了参考，也为阻变存储器进一步得到产业化应用提供了一定的理论意义。关键词：阻变存储器氧化钽金属插层性能优化AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnologyandChina’sthirdconsumptionstructureupgradingandtransformation,highly-integratedelectronicconsumerproductsaremoreandmorefavoredbypeople.Fl

7、ashmemoryasamaturenon-volatilememory,havingbeenwidelyappliedduetoitsoperatingspeed,storagedensityandothercharacteristics.However,withtheshrinkingofthesizeoftheFlashdeviceunit,itsdevelopmenthasreceivedagreatdealoflimitations,Sotheresearchofnewnonvolatilememoryhascometoanewc

8、limax.Amongthem,ResistiveRandomAccessMemory(RRAM)hasbecomeoneoftheadvantageouscontendersf