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ZnO基阻变存储器的制备工艺及性能探究

【摘要】:随着便携式电子产品的快速普及,对存储电路的集成度要求越来越高,现有的浮栅存储器件已发展至瓶颈期,遇到巨大的挑战。为了应对这些问题,相变随机存取存储器(PCRAM),铁电随机存取存储器(FeRAM),磁随机存取存储器(MRAM)和阻变存储器(RRAM)等新一代存储器应运而生。其中RRAM的功耗小,存储数据的密度较高,响应时间短,抗疲劳性较为优异。而且其构造相对简易,对外围电路搭建要求低,适合用于三维集成。过渡金属氧化物如ZnO、HfO_2等组分简单、制备成本低,而且具有良好的CMOS工艺兼容性,是制备RRAM的热门材料。本文基于磁控溅射制备了ZnO基和Zn_(1-x)Mg_xO基阻变存储器,探究了不同制备工艺对阻变薄膜的晶体结构和形貌以及器件阻变特性的影响。主要工作如下:1、采用射频磁控溅射工艺,以ITO导电玻璃为基底制备ZnO薄膜,研究了氩氧流量比、溅射功率、溅射时间等工艺参数对结晶质量和阻变特性的影响。随着氧气流量的增大,薄膜的结晶度和阻变性能得到改善,当氩气和氧气的流量分别为30 sccm和20 sccm时阻变特性最为优异;随着溅射功率的增加衍射峰的强度逐渐增大,溅射功率为120 W时晶体质量最佳,器件的开关特性等相对较好;薄膜越厚所需的Forming电压和Set电压越大,而Reset电压几乎不变,总体来看器件的功耗与厚度成正比;电极尺寸减小后能够发生电阻转变的局部区域也相应的变小,高阻态时的阻值更大,开关比特性更优异。2、采用磁控共溅射工艺制备了Zn_(0.76)Mg_(0.24)O合金薄膜,Mg~(2+)有效的融入ZnO晶格中使得薄膜呈现ZnO六角纤维矿结构,相比纯ZnO阻变器件Zn_(0.76)Mg_(0.24)O RRAM所需的Set和Reset电压较低,在40次循环内仍保持较高的开关比(10~3~10~4),抗疲劳性较好,在阻变存储领域有很大的应用潜力。随Mg靶溅射电压的增大,薄膜中的Mg含量上升,但电压较大时Mg~(2+)不能完全融入ZnO晶格中而引起失配,Zn_(1-x)Mg_xO薄膜转变为非晶态,阻变特性较差甚至丧失。3、对Al/ZnO/ITO的导电机理进行分析发现器件与SCLC机制和PF发射机制的拟合效果较好,主要导电机理可通过PF发射机制来解释,进一步分析得出阻变行为与Al电极和薄膜界面处生成的AlO_x绝缘层有关。Al/Zn_(1-x)Mg_xO/ITO器件在高阻态时符合SCLC导电机制,低阻态符合欧姆传导机制。

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