铪锆氧薄膜阻变存储器制备及性能研究

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作为下一代非易失存储器的典型代表,阻变存储器在近些年得到了广泛的关注。由于缺少对阻变机制深入透彻的研究,阻变材料的应用始终受到严重的制约。因此,作为阻变研究领域的核心,阻变性能系统研究与阻变机制深入探索一直都是研究的热点方向。本文采用脉冲激光沉积技术在多种不同衬底上制备了基于Hfx Zr1-xO2(HZO)薄膜的阻变存储单元及相应的阵列结构,研究了相关制备工艺对薄膜阻变特性和器件阻变性能的影响,并对其阻变机制进行了分析,研究结果为阻变材料在非易失性存储领域的应用提供了一定的实验基础和理论依据。本文的主要工作包含以下内容:1.采用脉冲激光沉积技术,系统研究了HZO薄膜的制备工艺对薄膜微观结构的影响。结果表明,在室温条件下,HZO薄膜为非晶态,表面结构致密,颗粒细小均匀。在450℃650℃的温度范围内,HZO薄膜都能够获得较好的结晶,在550℃沉积的薄膜样品表面平整、结构致密。氧分压对HZO薄膜的结晶也有一定的影响,较低的氧分压条件下薄膜趋向于HfO2的单斜相。2.测试了HZO薄膜的相关阻变特性,并针对I-V特性、抗疲劳特性、数据保持特性、操作电压(电流)以及操作速度进行了分析。研究发现,温度对薄膜相关阻变特性的影响较小,而氧分压及厚度对薄膜的阻变特性有较大的影响。随着氧分压的降低、薄膜初始阻值越来越低、开关比也相应减小。厚度对薄膜的阻变行为没有明显的影响,但对样品开关特性影响较大,厚度越小的薄膜开关特性稳定性相对更好。在优化工艺条件下,HZO薄膜开关特性稳定性好,开关比约为1000,在经过25000次写入循环后没有明显的衰减。3.分析了不同氧分压条件制备HZO薄膜的导电机制,研究结果表明尽管不同氧分压条件下制备的样品导电机制并不完全相同,但器件阻变行为都可以用导电细丝的形成和断开进行解释。研究了导电细丝不同断开方式对器件阻变行为的影响,解释了单极性阻变和双极性阻变Reset过程中电流不同的减小方式。研究了HZO薄膜中的多级阻变现象,尽管单、双极性下的多级阻变行为有明显的差异,但都可以用统一的多重导电细丝模型进行解释。4.制备了PET和纸基柔性HZO薄膜阻变器件,并对其相关阻变特性进行了分析。结果表明,HZO薄膜室温沉积工艺可以转移至柔性衬底上,从而实现柔性HZO薄膜RRAM器件的制备。室温条件下制备的HZO薄膜的阻变特性与沉积氧分压有关,在低氧分压条件下,器件表现出明显的双极性阻变特性,而在高氧分压情况下则为正常的单极性阻变。器件阻变相关电学性能良好,基本可以满足柔性RRAM器件的应用需求。5.对HZO薄膜RRAM器件应用进行了初步研究。利用微细加工工艺,制备了基于交叉阵列结构和1D1R结构的HZO薄膜RRAM器件。在交叉阵列结构中,串扰对器件的电学性能有较大的影响,会显著降低器件的开关比。1D1R结构中的二极管对器件开关比也有非常重要的影响,过高的接入电阻会严重降低器件相关电学性能。实验结果为HZO薄膜RRAM器件的应用指明了方向。
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