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《摻雜HfOx薄膜的制備與阻變性能研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、國內(nèi)圖書分類號：TB34西北工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文摻雜HfOx薄膜的制備與阻變性能研究博士研究生：郭婷婷導(dǎo)師：劉正堂教授譚婷婷副教授申請學(xué)位級別：博士學(xué)科、專業(yè)：材料學(xué)所在單位：材料學(xué)院答辯日期：2017年6月授予學(xué)位單位：西北工業(yè)大學(xué)Classifiedindex：TB34DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyFabricationandInvestigationoftheResis
2、tiveSwitchingCharacteristicsofDopedHfOxFilmsPh.DCandidate：GUOTingtingAdvisor：ProfessorLIUZhengtangAssociateProfessorTANTingtingDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：MaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：June,2017UniversityConf
3、erringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人們對存儲器的研究越來越關(guān)注，并對其性能提出了較高的發(fā)展要求，如可縮性好、存儲密度高、與互補(bǔ)型的金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容等。當(dāng)前，市場上使用最為廣泛的存儲器是Flash存儲器。根據(jù)摩爾定律的預(yù)測，集成電路的尺寸將越來越小，同時，器件的性能將越來越好。然而，基于浮柵結(jié)構(gòu)的Flash存儲器，其在器件尺寸減小的同時，電流泄漏將變得嚴(yán)重，直接影響了數(shù)據(jù)的保持性能。因此，急需研發(fā)一種新型的非揮發(fā)性存
4、儲器來替代Flash存儲器。近年來，阻變存儲器(RRAM)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是二元金屬氧化物基的RRAM，其因結(jié)構(gòu)簡單、成分易控、操作速度快，以及與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)而引起人們極大的研究興趣，并有望成為最有潛力的下一代非揮發(fā)性存儲器之一。雖然RRAM的研究已經(jīng)有40多年的歷史，但是阻變機(jī)制的不明確以及阻變參數(shù)的離散性仍然是制約其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的障礙。針對這些關(guān)鍵性的問題，本文結(jié)合摻雜技術(shù)和第一性原理計算方法，以HfOx薄膜材料為研究對象，開展了有關(guān)基于HfOx薄膜RRAM的摻雜改性和阻變機(jī)理方面的研究工作。主要
5、的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：采用射頻磁控濺射法制備HfOx薄膜，研究了薄膜厚度、退火溫度、沉積溫度和襯底材料對HfOx薄膜結(jié)構(gòu)、成分和電學(xué)性能的影響。HfOx器件的形成電壓與薄膜厚度成正比關(guān)系，但Set和Reset電壓基本不受薄膜厚度影響。HfOx薄膜的結(jié)晶性隨著退火溫度或沉積溫度的升高而增強(qiáng)，而結(jié)晶態(tài)的薄膜中存在較多的缺陷，易在薄膜中形成漏電流通道，導(dǎo)致器件可靠性的降低。相比于Si襯底，Si/SiO2/Ti/Pt作為襯底時，Pt/HfOx的界面勢壘較低，極大地降低了器件的操作電壓。優(yōu)化出阻變性能優(yōu)良的HfOx薄膜制備工藝，即室溫下
6、在Pt襯底上制備20nm的HfOx薄膜，再經(jīng)過200°C的快速退火處理。研究表明，基于HfOx薄膜RRAM的阻變機(jī)制為氧空位導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂，HfOx薄膜中隨機(jī)分布的缺陷導(dǎo)致HfOx器件阻變參數(shù)的均一性和穩(wěn)定性較差。利用摻雜技術(shù)并通過調(diào)控?fù)诫s濃度，系統(tǒng)地研究了Cu/HfOx:Cu(Ni)/Si(Pt)、Cu/HfOx:Ti(Al)/Pt和Cu/HfOx:Ce(Gd)/Pt三類摻雜結(jié)構(gòu)的阻變特性，探討了雜質(zhì)元素和濃度對HfOx薄膜阻變行為和阻變機(jī)理的影響規(guī)律。Cu、Ni活性元素作為摻雜物易處于HfOx薄膜中的間隙位置，容易發(fā)
7、生擴(kuò)散遷移，有利于阻變行為的產(chǎn)生和操作電壓的降低，并在高的摻雜濃度下能夠使阻變行為由雙極性轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性。深入分析發(fā)現(xiàn)，氧空位和金屬離子共同作用于Cu或Ni摻雜HfOx器件的阻變行為，只是雙極性阻變行為主要受氧空位導(dǎo)電細(xì)絲控制，而單極性阻變行為主要源于金屬導(dǎo)電細(xì)絲的形成和焦耳熱熔斷。Ti、Al元素作為摻雜物能夠調(diào)控HfOx薄膜中缺陷的濃度和分布。理論計算表明，Ti、Al元素的引入能夠明顯降低HfOx薄膜中氧空位的形成能，尤其是在摻雜點(diǎn)I西北工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文周圍。Ti、Al摻雜HfOx薄膜中氧空位濃度的增加降低了HfOx器
8、件的操作電壓。另外，摻雜點(diǎn)周圍的氧空位具有最低的形成能，因此更容易形成導(dǎo)電通道，有效地抑制了導(dǎo)電細(xì)絲形成的隨機(jī)性，提高了器件阻變參數(shù)的均一性。但是高濃度的Ti或Al摻雜在薄膜中引入了過量的氧空位，反而增加了導(dǎo)電通道形成的隨機(jī)性，導(dǎo)致器件可靠性的降低。Ti、Al摻雜HfOx器件
