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原子层淀积金属氧化物阻变存储器件研究

陈琳  
【摘要】:随着闪存技术即将达到尺寸极限而面临无法等比例缩小的问题,一种基于材料电阻转变特性的电阻式存储器(RRAM)由于其结构简单、可缩微能力强、高速、高密度、可三维集成以及与CMOS工艺良好的兼容性等诸多优点,被研究者们广泛关注。研究已经发现了很多具有阻变特性的介质薄膜材料,然而在材料选择、制备工艺,以及器件阻变存储机理等方面还有很多问题值得探讨。为此,本文开展了系统的研究。一方面,用原子层淀积(atomic layer deposition)方法制备了多种具有阻变特性的金属氧化物介质,在材料制备、工艺优化、器件阻变存储特性、阻变微观机制上做了系统研究;另一方面,针对RRAM器件所呈现出的性能不稳定,提出了几种行之有效的优化和解决方法。 本文首先研究了近期业界广泛关注的HfO2、La2O3、Nb2O5介质材料,系统探索了原子层淀积HfO2、La2O3、Nb2O5三种氧化物的工艺条件,分析了其材料特性,并制备了基于这些材料的可与CMOS工艺兼容的RRAM器件。研究表明:(1) TiN/Nb2O5/Pt/SiO2/Si结构的RRAM器件具有较低的操作电压,set电压为1.2V, reset电压为-1.2V;(2)TiN/La2O3/Pt/SiO2/Si结构的RRAM器件在1.5V时可以写入信号,-0.6V电压下擦除信号;(3)iN/Hf02/Pt/SiO2/Si结构的RRAM器件的set和reset过程发生在+3.5V和-3.5V;(4)三种RRAM器件均呈现双极性阻变特性;(5)RRAM器件的on/off(?)关比分别为50、100、1000,均呈现不错的抗噪声容限。实验证实了RRAM器件的局部熔丝(filament)导电机制,发现熔丝断裂的位置位于阳极附近,并用C-AFM直观观测到RRAM器件导电熔丝的存在。 其次,论文系统研究了ALD掺杂工艺对金属氧化物RRAM存储性能的作用。独特的ALD氧化剂设计(如H2O2)可以引入过量氧掺入,使得氧空位与非键合氧的复合主导了金属氧化物的阻变特性。研究发现,在HfLaO薄膜中存在大量的非键合氧,保证了器件优异的阻变特性。基于HfLaO薄膜的RRAM器件的高低阻值比达到106以上,并在10000次重复扫描中保持稳定。同时,擦写速度也达到10ns。实验数据表明La掺入的Hf基金属氧化物介质薄膜具有优异的阻变特性,该工艺优化的器件在RRAM领域将有良好的应用前景。深入研究了温度对基于HfAlO(?)质材料的RRAM器件的影响。研究发现RRAM阻变行为与温度有密切关系,并且阻变特性能否发生存在一个关键温度值,低于此温度则阻变特性将会消失。研究表明,金属氧化物RRAM的阻变机制是由受温度影响的陷阱电荷的状态所主导,电流导致的焦耳热效应只起到辅助作用。 论文通过嵌入Al2O3缓冲层,对NbAlO材料的RRAM器件性能进行了有效优化,其擦写操作可以在很低的电压(±0.8V)范围内完成,使得存储稳定性大为提升。其原因是Al2O3材料与NbAlO材料存在较大的介电常数差异,重构了RRAM器件中的电场分布:介电常数越小的区域电场强度越大。为了验证这种具有电场调制效应的叠层结构对RRAM优化的作用,我们设计了系统的实验,制备了其它三种具有Al2O3缓冲薄介质的叠层结构TaN/Al2O3/NiO/Al2O3/Pt、 TaN/AlO3/ZnO/Al2O3/Pt以及TaN/Al2O3/Pt。实验证明用这样独特堆栈结构来代替单一阻变层能够增强RRAM器件的稳定性。无论是单极性还是双极性的RRAM器件,其阻变特性均能够通过增加介电常数相对小的Al2O3电场调制层来进行优化。叠层结构具有的这种电场调制的阻变效应大大减小了RRAM器件电阻转变过程中的随机性。论文用matlab对上述结构的RRAM阻变行为进行了模拟,得到与实验数据非常吻合的阻变电流电压特性曲线,即具有电场调节作用的堆栈阻变层具有更为稳定的阻变特性。 非挥发存储器件中的多值存储技术是实现海量存储的有效途径。研究表明在RRAM器件中,通过改变set过程中的钳制电流幅度(Iset)可以显著改变电阻值的大小,即可以通过这种控制set过程中的钳制电流幅度方式有效地实现器件的多值存储功能。但是钳制电流对低电阻(LRS)值的影响也明显分成两个部分:当钳制电流设置较大时,LRS阻值与Iset成线性关系,Iset越大,LRS越小;当Iset1mA时,LRS随电流Iset变化很小,Iset对LRS调制作用消失,其原因来源于测试设备的电流过冲现象,这一现象在实验中得到了验证。用嵌入金属纳米晶的方法实现了对金属氧化物RRAM阻变特性的优化。制备了TaN/Al2O3:RuNCs:Al2O3/Pt结构的RRAM器件。这种嵌入钌纳米晶的方法大大提升了氧化铝RRAM器件的阻变存储特性,其开关比保持在105以上,远远大于未嵌入纳米晶的102的数据。同时,嵌入纳米晶的RRAM器件在数据的稳定性和保持特性上都有较大提升。


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