ZnO基薄膜阻变存储器的可靠性研究

【摘要】当今时代，信息产业发展日新月异，存储器已经在各种电子产品中得到了广泛的应用，为我们的日常工作和生活带来了很大的便捷。进而，人们对存储器的性能提出了更高的需求，如访问速度快、功耗低、尺寸小、寿命长、非挥发性等。如今，相变存储器（PRAM）、铁电存储器（FRAM）、磁阻存储器（MRAM）、阻变存储器（RRAM）等以非电荷形式存储数据的新型非挥发性随机访问存储器受到了很大的关注。阻变存储器具有很多独特的优点，如简单的结构、很高的存储密度、快速的读写、可长时间保持数据、可三维集成等；此外，阻变存储器的制作与硅基CMOS工艺相兼容，这为其实际生产应用提供了强有力的保证。ZnO是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，在热电、气敏、压电、光电等领域都有广泛的应用。近年来，对ZnO基薄膜电阻开关特性的研究也日渐增多。不过，ZnO基薄膜电阻开关的可靠性依然很弱，为了使器件能够早日达到实用化的标准，有必要对其可靠性进行研究，从性能和机理上作出进一步的阐明。本文采用真空镀膜设备制作TE/ZnO/BE（TE，topelectrode，为上电极；BE，bottomelectrode，为下电极）三明治结构的电阻开关器件，其中，利用直流磁控溅射制备ZnO薄膜，通过电子束蒸发沉积电极。为了对ZnO薄膜和阻变开关器件进行分析，使用了紫外-可见光谱仪、薄膜厚度测试仪、X射线衍射仪、扫描电镜、I-V特性测试仪等设备。研究了薄膜厚度、下电极材料、Ti掺杂对器件开关特性的影响，主要得到了如下的结论：（1）制备了Cu/ZnO/n+-Si结构的器件。器件的电阻开关特性受ZnO薄膜厚度的影响很明显，非常薄和比较厚的ZnO薄膜电阻开关器件，都不会出现forming现象；一定厚度范围内时，均有forming，set，reset过程；当ZnO薄膜厚度减小到适当厚度时，ZnO基薄膜阻变器件可以实现无需forming就呈现出电阻开关特性，无需forming的器件，set电压较小，reset电压波动性也小，稳定性好、可靠性强。（2）分别把Pt金属、ITO薄膜和重掺单晶硅作为下电极，制备了Cu/ZnO/BEs结构的存储器。以不同下电极制作的器件均为单极型电阻开关存储器。在高阻态时，ZnO薄膜的导电机制为空间电荷限制电流；在低阻态时，薄膜的导电机制为欧姆传导。这三种下电极材料性质都较为稳定，又不易与ZnO薄膜发生反应，都适合作为ZnO基薄膜电阻开关的下电极材料，提高器件的可靠性。（3）研究了Pt/ZnO:Ti/n+-Si器件的电阻开关特性。Pt/ZnO:Ti(3%)/n+-Si结构有最优的电阻开关特性，即操作电压低、reset电压减小、稳定性高和可靠性显著。另外，高阻态(HRS)和低阻态(LRS)间的关/开比平均值大于102，这一点足以满足商业应用的要求。
【作者】陈雪平；
【导师】季振国；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】ZnO薄膜；电阻开关特性；可靠性；真空镀膜；非挥发性存储器；

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