氧化铪薄膜阻变存储特性及机理研究

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1、■中图分类号ＴＮ３０３：ＴＮ３０４．９论文编号１邮６０化蝴）７９敬？ａ学科分类号５ｌ（Ｕ■巧＊义和《乂净ＴＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＡＮ硕ｚｂ学位论文氧化儀薄膜胆变存储特性及机理研究Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ化ｅＲｅｓｉｓｔｉｖｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ一ＰｒｏｅｒｔｉｅｓａｎｄｉｔｓＭｅｃｈａ打ｉｓｍｓｂａｓｅｄｏ打ｐＨａｆｎｉｕｍＯｘｉｄＴｈｉｍＦｉｋｇ＾＾＿二＝ｐ＾ｉｐｏｉｉｉｉ邏，１１，．加ｉｕＩｔ电子科学与技术ｌｉ＝Ｓｉ鉴肖川ｙ＾ｊ张楷亮教按天津理

2、工大学研究生院二〇—六年二月棘准１牲弄巧本人声明所呈交的学位论文驻本人在导师指导下进行的研究工作和取Ｌ，论文中不包含其他得的研究成果，除了文中特别加＾掠注和致谢之处外人己经发表或撰写过的硏究成果，也不包含为获得圣连些互主畫或其他教的材料一育机构的学位或证书而使用过。与我巧工作的同志对本研巧所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。哥瑚月日签李；年学位去丈作者签名：＞＞，６令学佐备文肤权使巧摸权书本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规据或部编入数全容有关工可文的部分内定。特授权义津理大将学位论学，制手段保、查閒存

3、汇编Ｗ供、缩印或扫描等复进行检，用影印并采库索子文。送和件交论文的复本电口或机构。国家有关部和同意学校向借阅）适明论文解用本授权说（密在密后保的学位签名：：导砰旅丈者签义学住作梯毛种ｇ曰月司期；签年＾ｇ期；月李签年字１中＞多分类号：TN303；TN304.9密级：天津理工大学研究生学位论文氧化铪薄膜阻变存储特性及机理研究（申请硕士学位）学科专业：物理电子学研究方向：半导体薄膜材料与器件作者姓名：鉴肖川指导教师：张楷亮教授2016年2月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeRese

4、archontheResistiveSwitchingPropertiesanditsMechanismsbasedonHafniumOxideThimFilmByXiaochuanJianSupervisorProf.KailiangZhangFebruary,2016摘要随着高速信息处理技术对存储器件密度和速度的苛求，当前主流的Flash（基于电荷存储机理）存储器特征尺寸正在挑战物理极限，而同样具有非挥发特性的阻变存储器由于具有结构简单、尺寸可缩小性好、擦写速度快、擦写疲劳特性好等突出优点而被认为是下一代非挥发存储器最有利的竞争者。尤其是氧化物基阻变存储器件近年来备受关注，氧化铪基RRAM

5、被工业界所看好，目前各大公司及研究机构均在致力于改善器件性能，已经取得较大进展，但在某些性能方面仍然亟待提高，如：较高的操作电流、较大的阻变参数波动等。本论文主要对基于氧化铪薄膜，研究了不同顶电极及叠层结构对器件性能的影响，对其阻变特性进行了测试及分析，并对其内在的阻变机理进行了探究。论文基于TiN为底电极，采用磁控溅射方法淀积了氧化铪功能层，对比了不同顶电极（Ni和Ta）阻变器件并构建了不同叠层器件结构单元；器件制作过程中采用XRD、SEM、EDX、AFM等手段对器件微结构和形貌进行了表征，并基于高低温探针台采用半导体参数分析仪B1500A对器件的电学特性进行了分析表征，取得了如下进展：1、

6、不同顶电极（Ni、Ta）的对比实验表明：Ni/HfO2/TiN结构阻变单元具有超低功耗双极性阻变特性，Reset电流可达100nA；而Ta/HfO2/TiN结构阻变器件的双极性阻变电学特性一致性较好。基于I-V数据的拟合对比和电学温度关系对Ni/HfO2/TiN及Ta/HfO2/TiN结构的阻变机理进行了探索。2、构建了HfOx/HfO2和HfO2/BN两种不同叠层结构存储器件，研究其阻变性能并探索了其阻变机理。通过反应溅射淀积较薄的HfOx欠氧插入层，制备了Ta/HfOx/HfO2/TiN叠层结构的阻变器件。其中，欠氧层HfOx是作为提供足量氧空位缺陷的氧空位储氧层，实现了器件高一致性（Cy

7、cletoCycle和DevicetoDevice）的双极性阻变特性；同时，通过调节Reset过程中不同的Stop电压实现了可控制、稳定的、一致性很好的四个组态的多值存储特性；器件的电阻转变机制为氧空位细丝的形成和断裂，低阻态的电流传导机制为欧姆传导，高阻态传导机制为由缺陷主导的空间电荷限制电流效应（SCLC）。通过插入高电阻率、低介电常数的BN薄膜，制备了Ta/HfO2/BN/TiN叠层结构的双