TiOx基金属插层器件的阻变性能与机制的研究

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1、中图分类号：TN303；TN304.9论文编号：153113311学科分类号：510.3030密级：天津理工大学研究生学位论文TiOx基金属插层器件的阻变性能与机制的研究（申请硕士学位）一级学科：电子科学与技术学科专业：微电子学与固体电子学研究方向：半导体薄膜材料与器件作者姓名：万尚飞指导教师：杨正春副教授赵金石教授2018年3月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeStudyonResistiveSwitchingMechanismandPropertiesofTiOx-basedRRAMwit

2、hInsertedMetalLayerByShangfeiWanSupervisorProf.ZhengchunYangProf.JinshiZhaoMarch2018独创性声明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，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一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。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授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

3、定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门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）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要阻变存储器的研究发展已经过去了几十年，尽管已经有成品问世，但对阻变机理的仍然不是非常清晰，所以在对阻变材料的进行不断的研究的同时，阻变机理的研究仍然是当今研究的重点。目前大体上把阻变存储器分为两类，一类为电子型阻变存储器——具有优异的一致性，功耗可以随着器件特征尺寸的减小而减小，便于高密度集成等优点，

4、但擦写循环与保持能力差；一类为离子型阻变存储器——具有优秀的擦写循环与保持能力，但一致性、可靠性比较差，存在高功耗的问题。耐擦写循环能力与保持能力差制约了电子型阻变存储器的发展，所以本文以Al/TiOx/Al(ATA)电子型阻变器件为基础，通过改变阻变层TiOx厚度以及对器件的上界面插入Al，Ti，V三种金属层，来改善ATA电子型阻变器件循环能力与保持能力。论文实验样品的制备涉及磁控溅射，离子束溅射，电子束蒸发等工艺——其中上下Al电极由电子束蒸发制备，TiOx阻变层由磁控溅射制备，金属插层由离子束溅射制备。实验样品的测试涉及半导体参数分析仪，X射线光电子能谱分析，多模式扫描探针显微镜——

5、其中半导体参数分析仪测试器件电学性能，X射线光电子能谱分析与多模式扫描探针显微镜用来分析材料的化学价态及形貌特征。首先本论文探索了不同厚度TiOx薄膜对ATA结构阻变器件耐擦写性能的影响，证明不同厚度的TiOx薄膜对电子的俘获和释放产生影响，并通过对I-V曲线拟合分析进一步证明ATA结构器件阻变的主要因素是缺陷对电子的俘获和释放。然后在此基础上选取合适的TiOx厚度，对ATA结构阻变器件的上界面层插入不同金属层（Al，Ti和V），证明了插入Al，Ti金属层可以有效的改善ATA结构阻变器件的阻变性能，并且金属插层厚度是影响阻变性能的关键参数。最后对插层器件不同循环I-V曲线的拟合对比，以及对

6、器件进行温度测试，计算出循环前后的活化能值，证明了Al插层可以保持器件阻变层缺陷浓度，提高阻变性能；Ti插层可以提高器件阻变层的陷阱深度以及缺陷密度，从而提高阻变性能。本论文使用了对ATA结构阻变器件上界面层插入插层的方法改善了电子型阻变器件的性能，并对不同金属插层对器件性能改善的阻变机制进行了研究，对研究电子型阻变机制，制备更高性能的阻变器件具有一定的指导意义。关键词：阻变存储器氧化钛厚度金属插层电子型阻变机制AbstractTheresearchofResistiveRandomAccessMemory(RRAM)hasbeendevelopingfordecades.Although

7、thefinishedproductsareavailable,theresistiveswitchingmechanismisnotsoclearthatitisstillthefocusofstudyatpresent.Inprinciple,RRAMisdividedintotwocategories.OneistheionictypeRRAMwithoutstandingperformanceofenduranc