氧化钽基阻变存储器件的构建与机理研究

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1、－．＼？０３ＴＮ－中图分类号ＴＭ３０４，９论文编号１０００８１；０６０１６＇５］０－＇学科分类号．］阳５密级，？＊身诚乂净Ｔ化ＦＴＥＧＹＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＩＴＹＯ州ＮＯＬＯ硕±学位论文？ＢＭ－－－—ａＭｒＴｉｒ巧断明Ｍ剛随＾ｇｓｓｍａｆｉ？＾？？Ｍ？ｍｍｉＭａＨ？ｉｍｉｎｖｒｒ「ｒｎｍｒＴｒｎｒｑｎｆｍＴｒｎｒｐｒｆｎＭｍｎｎｗＰｎｗ氧化错基阻变存储器件的构建与机理研究Ｄｅｓｉ打ａｎｄＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｎｔｈｅｇ－－ＴａＯｘｂａｓｅｄ民民ＡＭＤｅｖｉｃｅＩ測？电子科学与技术ＢＦ＾ｊｆｉｆｌ

2、＾ａ＾ｌｇ｜物理电子学张宏智张楷亮教授天津理工大学研究生院二〇＾六年二月分类号：510.1035密级：天津理工大学研究生学位论文氧化钽基阻变存储器件的构建与机理研究（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：张宏智指导教师：张楷亮教授2016年2月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeDesignandMechanismontheTaOx-basedRRAMDeviceByZhangHongzhiSupervisorProf.Kailiang

3、ZhangFebruary,2016独別牲若巧本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加Ｗ标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教一育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。＂之。；学位冷文作者签名１区农為签拿《期；／／！年＾月餐ｇ学化４＾文狀权使巧按权考本学位论文作者完全了解义津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大学可［＾将学位论文的全部或部分内容编入有关数

4、据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，供查阅和借阅。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复本和电子文件。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学侄４＾丈作者签名；导＾巾签名；梦旅中象４／签拿可期：２口／＾年３月令哥签学ｇ期：７＾／＾年ミ月摘要随着集成电路工艺技术的不断发展，基于浮栅结构的闪存（FLASH）存储器在特征尺寸不断缩小中存在着电荷泄漏等问题，正遭遇到严重的技术瓶颈。目前已经研制出多种有望取代FLASH存储器的新兴非挥发性存储器，其中阻变存储器（RRAM）具有结构简单、读写速度快、可缩小性强以及与CMOS工艺相兼容等优点，

5、被认为是最有可能取代FLASH存储器的下一代非挥发性存储器。氧化钽材料具有热稳定性好、介电常数高、有两个稳定的Ta-O相等优点，成为阻变材料近年的研究热点。本文的主要研究内容有：优化TaOx薄膜的生长工艺，研究不同顶电极的单层RRAM器件的性能；构建叠层RRAM器件，优化叠层RRAM器件的阻变性能，降低器件的功耗。在氧化钽基RRAM器件电学性能研究的基础上，进一步探索了该RRAM器件的开关机制。制备优化单层氧化钽基RRAM器件；研究不同氧氩比条件对TaOx薄膜的生长的影响，SEM和EDS的测试结果给出了氧氩比对TaOx薄膜微结构和元素组分的影响；并基于15nm厚W电极讨论了氧氩比对单

6、层TaOx阻变器件电学特性的影响，最佳氧氩比为2:38。优化氧氩比基础上讨论了不同上电极对器件电特性的影响，分别制作了基于顶电极Cu和Ni的TaOx阻变器件，对比不同顶电极阻变器件的阻变性能的基础上，探索了不同顶电极下器件的阻变模型。基于单层TaOx结构的RRAM器件性能分析，采用蒙特卡洛方法构建基于Cu金属导电细丝的阻变模型；结合模拟仿真，分析了导电细丝的微观生长过程，进一步解释相应的阻变可逆现象。在单层TaOx阻变器件研究的基础上，构建不同插层的叠层阻变器件，研究叠层厚度对器件性能的影响，尤其是对Reset电流的影响。一方面制备了W/TaOx/Ta2O5/TiN结构阻变器件，其中

7、Ta2O5层厚度为6nm，TaOx层厚度分别为5、10、15、20nm，分析了不同叠层厚度比对器件的电学性能影响，并构建了基于氧空位导电细丝的阻变模型。另一方面制备了Cu/TaOx/AlOx/TiN结构的阻变存储器件，AlOx插入层厚度分别为1、2、3、4nm，讨论了氧化铝插入层厚度对器件性能的影响及其作用机制；氧化铝插入层作为阻挡层，阻挡电子注入，器件Reset电流可降低至500nA，有效降低了器件的功耗。关键词：阻变存储器氧化钽低功耗阻变机理Abstr