钛与锆氧化物薄膜与其异质结的制备及其忆阻器特性研究

作     者：刘汇川 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐新桂

授予年度：2021年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：阻变随机存储器 金属氧化物 氧空位缺陷 薄膜介质层 

摘      要：在微电子器件迅猛发展的今天,现代电子产品的体积趋于小型化和微型化,但这种进程近年来遇到了困难,由于来自量子隧穿和电容耦合等微观效应问题的影响,传统半导体存储器的存储单元尺寸已经难以进一步缩小,无法满足对存储单元更高密度集成化的需求,因此新型存储器的研究对于未来存储器领域的发展显得尤为重要,作为传统存储器的替代品,多种新兴存储器的问世得到业界的广泛关注,如阻变随机存储器、铁电随机存储器、磁性随机存储器、相变随机存储器等。其中阻变随机存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM),也称忆阻器,由于其可观的微缩性而掀起国际范围内的研究热潮,阻变随机存储器作为新型无源器件具有读写快、器件结构简单、低能耗等特点,且与CMOS工艺良好兼容且具备对比传统存储器更优异的三维集成能力,摩尔定律对于忆阻器来说可能要失效了。近年来阻变随机存储器的研究已经取得了诸多突破性的进展,越来越多材料的忆阻特性被发现,性能也越来越优异,可是对其阻态转变的原理依然存在很多异议,现代电阻开关机制主要有导电细丝模型,电荷的俘获和释放模型、P-F理论、S-V理论等。但目前还没有一套理论能完美地解释器件忆阻特性形成的条件,以至于难以寻找一个提升忆阻器性能的明确的方向,受此启发,本文深入研究了两种热门的金属氧化物薄膜,ZrO和TiO,以改变制备条件,比较器件性能的方法来寻找提升忆阻器性能的一般规律。ZrO和TiO具有优异的化学稳定性和热稳定性,是较为常用的功能性材料和结构性材料。钛与锆元素同属IVB族元素,在地壳中含量较为丰富,且ZrO和TiO对环境和人体无毒无害,符合绿色健康可持续的环保理念。本文实验以顶电极/介质层/底电极为基本器件结构进行研究,用适合大规模生产的溶胶凝胶法将TiO、ZrO薄膜沉积在导电衬底上,并对单一薄膜在不同的制备条件下的忆阻特性进行了系统地研究,另外还研究了TiO/ZrO异质结结构介质层的忆阻性能。实验中用到的导电衬底有FTO玻璃(成分为掺F的Sn O,方阻6Ω,厚度185nm)、ITO玻璃(成分为掺In的Sn O,方阻10Ω,厚度185nm)和表面镀有铂金的硅片(方阻0.1Ω,pt厚度150nm)。器件忆阻性能用吉时利(Keithley)2400S数字源表测试,另外还通过XRD、XPS、XEM手段对薄膜的结构形貌和成分要素进行表征。器件的回滞性的电流-电压曲线展示出其电阻开关特性,器件高低阻态分明,并且在不同制备条件下,器件的忆阻性能将随之不同,介质层薄膜厚度、退火气氛、底电极类型都对器件的忆阻器性能有决定性的影响,尤其是使用溶胶凝胶法制备薄膜器件的时侯。实验用到控制变量法,分别对以上三种变量对器件忆阻性能的影响展开了深入的研究,结合表征数据、实验数据,并利用现存机理对其原因进行解释。器件的工作方式主要取决于介质层薄膜上所施加的电压对载流子的调控,故而研究薄膜的各种导电机制对器件的设计及应用有重要意义。我们基于实验数据,对器件的电压和电流数值进行相应的函数变换,通过线性相关的程度判断最契合的导电机制,进而分析薄膜的阻变机理,主要有导电细丝模型和电荷的释放和俘获模型。