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NiO阻变器件的制备及其电学特性分析

作　者: 张杨
导　师: 张楷亮
学　校: 天津理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 氧化镍阻变存储导电细丝低功耗
分类号: TN303
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着电子产品的发展,人们对于超便携,超低功耗以及高密度快速存储设备的需求日益紧迫。但是随着光刻工艺进入32nm量产,22nm研发的阶段,目前主流的Flash存储已经暴露出来了越来越多的缺陷,迫切需要开发一种适应现在要求的存储技术。阻变存储(RRAM)因其表现的高性能以及结构简单,造价低廉和现代半导体工艺兼容等特点,正在被国内外广泛的研究。本论文从目前RRAM存在的问题出发,使用直流磁控溅射,通过改变氧分压、薄膜厚度和电极类型及厚度,利用XRD、AFM和半导体参数分析仪对NiO薄膜的结构和电学性能进行表征,系统地探讨了NiO阻变机理以及器件操作电压(Reset/Set Voltage)的改善等方面问题,主要研究内容如下:(1)制备过程中氧分压的变化(5%-15%),对于薄膜的晶格取向,表面粗糙度以及薄膜的沉积速率都有着较大的影响。发现随着氧分压的增加,NiO薄膜的晶向从(200)逐步转变到(220),表面粗糙度和沉积速率呈现递减趋势。但是在10%的条件下,由于(200)和(220)XRD测试峰的强度具有可比性,导致此时薄膜表面粗糙度突然升高。(2)通过不同电极比较发现Cu电极相对于W、Ni等电极具有更低的功耗,主要原因是由于使用Cu电极时导电细丝的形成是由于在电场的作用下,Cu原子发生氧化还原反应,使得Cu离子在薄膜内部移动形成的。对于W、Ni等电极则是由于热的作用引起的细丝熔断,这就增加了器件的功耗。(3)对于Cu/NiO/Pt结构,发现可以通过减小薄膜的厚度,在保持一定高低阻态比时,降低了器件的操作电压,降低了功耗。(4)讨论了下电极厚度对于器件性能的影响,发现当上电极为Cu时,其对器件性能的影响较小;当上电极为Ni时,其对器件性能的影响较大:在下电极很薄时,器件将无法稳定在低阻态。分析可能是由于底电极过薄导致热量无法及时散去,使得形成的导电细丝处于不稳定状态。(5)讨论了薄膜器件的阻变机理,认为Cu为上电极时,细丝的熔断和复合是由于Cu离子的移动造成的,并且在一定电压下Cu离子在一定的距离内移动。存在典型薄膜厚度(Typical Thickness),在小于典型厚度时,器件的Reset/Set电压随着厚度的减少而递减。认为对于W、Ni等电极其细丝的断裂主要是由于热积聚造成的。

NiO阻变器件的制备及其电学特性分析

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