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1、第49卷第6期复旦学报(自然科学版)Vol.49No.62010年12月JournalofFudanUniversity(NaturalScience)Dec.2010文章编号:04277104(2010)06070306NiOx阻变存储器性能增强方法及相关机理研究顾晶晶,陈琳,徐岩,孙清清,丁士进,张卫(复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室,上海200433)摘要:通过精确控制在Pt衬底上制备NiOx薄膜的工艺过程,制备出阻值窗口增大5倍以上,高低阻态稳定的TiN/NiOx/Pt结构阻变存储器.研究发现
2、,NiOx薄膜的多晶态结晶结构和化学组分,尤其是Ni元素的化学态,是影响NiOx阻变存储器阻值窗口和稳定性的主要因素.X射线光电子能谱和X射线多晶体衍射测试结果2+2+3+3+表明,当NiOx薄膜中间隙氧或Ni空位增多时,Ni会被氧化成为Ni以保持电中性,Ni离子在材料中引入空穴导致P型氧化物NiO的漏电流增大.基于此机理,提出通过提高淀积温度、降低氧气分压的方法抑制NiOx2+薄膜中间隙氧或Ni空位的产生,降低TiN/NiOx/Pt结构阻变存储器关态漏电流,增大阻值窗口.这种基于工艺的性能增强方法,在NiOx阻变存储器实际应用
3、中有良好前景.关键词:阻变存储器;氧化镍;阻值窗口;稳定性;工艺控制中图分类号:TN402;TP333文献标志码:A随着集成电路存储器技术向纳米尺度的发展,传统的Flash非挥发性存储器日益接近其物理极限.过薄的隧穿氧化层带来的电荷泄漏越来越严重,严重影响了存储器的保持特性等器件参数.因此,各种新型非挥发性存储器,如铁电存储器(ferroelectricrandomaccessmemory,FRAM)、磁存储器(magneticrandomaccessmemory,MRAM)、相变存储器(phasechange
4、randomaccessmemory,PRAM)和阻变存储器(resistiverandomaccessmemory,RRAM)正在被大量研究.其中阻变存储器因其具有结构简单、尺寸小、保持时间长、擦写速度快、操作电压小、非破坏性读出和与传统CMOS工艺兼容性好等优点.正在被工业界和学术界广泛研究,极有可能成为传统Flash非挥发存储器的替代者.阻变存储器多为金属/介质层/金属(metalinsulatormetal,MIM)结构,介质层材料在不同的电压下会发生可逆的阻值变化,形成稳定的高阻态!和低阻态!.阻变存储器的0!和1
5、!的切换正是基于这种快速可逆双稳的阻值转变完成的.目前,研究人员报道的具有阻值转变效应的介质层材料常见的有:过渡金[16][7]属二元氧化物(如CuxO,ZrO2,Nb2O5,TiO2,NiO)和钙钛矿材料(如SrZrO3).在众多的具有阻变特性的材料中,NiOx材料的RRAM器件,因其具有组分简单、阻值窗口大等优点,成为众多材料中的研究热[810]点,主要包括阻变机理的研究和性能改善的方法等.用于RRAM器件的NiOx薄膜主要通过磁控溅射方法制备,通常有在含氧氛围的气氛中直接溅射NiOx薄膜和在惰性气氛中溅射金属Ni薄膜然
6、后进行氧化这2种方法.与后者相比,直接溅射NiOx薄膜方法具有能够灵活控制Ni/O化学剂量比,工艺步骤少,及氧化更均匀等特点,是主要的制备手段.Ni/O的化学计量比直接影响Ni元素的化学态,Ni元素的化学态对NiOx薄膜材料电学特性具有决定性的作[6,11]用,另外,薄膜结晶形态、成膜质量对材料稳定性和抑制器件漏电也十分关键.基于此,本文系统分析了NiOx薄膜溅射过程中的氧分压、衬底温度(Tsub)等工艺参数对NiOx薄膜结晶结构,粗糙度,元素组分及化学态等材料特性的影响,并针对提升RRAM器件电学性能的要求,提出一种通过控制工
7、艺过程参数提高NiOxRRAM器件性能的方法.收稿日期:20091220基金项目:国家自然科学基金(60776017)资助项目作者简介:顾晶晶(1986),女,硕士研究生;孙清清,男,博士,通讯联系人,Email:qqsun@fudan.edu.cn.704复旦学报(自然科学版)第49卷1实验本文中所采用的磁控溅射系统为ULVAC公司ACS400C4型溅射系统,该系统可以精确控制溅射过程氧气分压量、衬底温度、工作气压.溅射过程中所采用的基本工作参数为:通过Ar等离子体轰击纯度为99.99%的金属Ni靶材,
8、同时通入Ar和O2混合气体作为薄膜的溅射和氧化气氛,并且,反应腔的基础-5-1压力和工作压力分别为10Pa和10Pa,溅射功率为150W.本文通过调整氧气分压(O2/Ar+O2)在5%~40%之间,实现对薄膜Ni/O原子比的调整;及改变衬底温度在300~500K
