硅基高κ介質(zhì)阻變存儲器的制備工藝與特性.pdf

1、半導(dǎo)體邏輯器件和存儲器件是集成電路中最重要的兩個部分。近年來，隨著集成電路工藝的發(fā)展，半導(dǎo)體存儲器件的特征尺寸已經(jīng)縮小到30nm以下。在器件尺寸減小和工藝改進(jìn)的同時(shí)，也帶來了新的材料、結(jié)構(gòu)和物理問題。為了提高存儲器件的性能，尋找可以替代動態(tài)隨機(jī)讀寫存儲器和閃存等現(xiàn)有的器件，目前國際上正在研究多種新型器件，包括鐵電存儲器、磁阻存儲器、相變存儲器以及阻變存儲器(RRAM)。其中，RRAM由于結(jié)構(gòu)簡單、讀寫速度快、功耗低以及與現(xiàn)有CMOS工藝

2、兼容等優(yōu)點(diǎn)受到了極大的關(guān)注。
　　目前，RRAM研究中存在的最大問題是它的導(dǎo)電機(jī)理。由于RRAM使用的材料和結(jié)構(gòu)多樣性，實(shí)驗(yàn)中觀察到的器件性能也不盡相同，因此，國際上提出了多種不同的導(dǎo)電機(jī)理和相關(guān)模型，但是還缺乏一種普適模型，可以很好指導(dǎo)器件的開發(fā)和改進(jìn)。另外，近年發(fā)現(xiàn)一些RRAM結(jié)構(gòu)中存在整流特性，這一特性在器件應(yīng)用中具有重要意義，可以簡化RRAM的電路結(jié)構(gòu)。但是，目前我們對整流效應(yīng)的機(jī)理和器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系還缺乏深入地了解。第三，

3、對器件的應(yīng)用而言，結(jié)構(gòu)和特性的優(yōu)化，以及器件的可靠性等是非常重要的，還需要大量的進(jìn)一步的研究。
　　針對目前RRAM中存在的關(guān)鍵問題，本論文研究硅基高κ介質(zhì)RRAM的制備工藝與特性，包括導(dǎo)電機(jī)理、整流特性、溫度特性、面積特性、噪聲特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。具體有:(1)制備了具有不同面積、不同高κ介質(zhì)材料和金屬電極的RRAM樣品。(2)對樣品進(jìn)行了電學(xué)測量和分析，包括不同溫度下的阻態(tài)轉(zhuǎn)換和整流等Ⅳ特性，隨機(jī)電報(bào)噪聲和1/f噪聲特性。(3)提

4、出了一種新的RRAM導(dǎo)電機(jī)理和相關(guān)等效電阻模型，通過模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，提出了一個對應(yīng)的RRAM工作能帶圖。
　　本論文的創(chuàng)新結(jié)果有:(1)我們發(fā)現(xiàn)RRAM的總電阻是由半導(dǎo)體/介質(zhì)界面、介質(zhì)層和介質(zhì)/金屬界面三個電阻串聯(lián)構(gòu)成，在不同的工作條件和阻態(tài)下，各個電阻對Ⅳ特性具有不同的影響。(2)在RRAM的導(dǎo)電機(jī)理分析中，我們發(fā)現(xiàn)電子的輸運(yùn)需要聲子輔助。利用聲子輔助模型，所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得到很好地解釋。(3)由上述等效電阻模型和聲子輔