【摘 要】
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为解决主流非易失性存储器-闪存（Flash）的微缩极限问题,近几年涌现出一系列新型非易失性存储器:磁存储器、铁电存储器、相变存储器和阻变存储器;其中阻变存储器（resistive rando
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为解决主流非易失性存储器-闪存（Flash）的微缩极限问题,近几年涌现出一系列新型非易失性存储器:磁存储器、铁电存储器、相变存储器和阻变存储器;其中阻变存储器（resistive random access memory,RRAM）由于结构简单、操作速度快、集成密度高等优势从中脱颖而出。然而,阻变存储器的低一致性及高功耗仍是其实现应用的两大障碍。为了优化器件的一致性及功耗性能,本文选择具有高耐久性的氧化钽作为功能层,开展了如下主要工作:首先,采用磁控溅射方法沉积薄膜,构建了以“ITO/TaOX/TiN”为基础结构的RRAM器件单元;优化了功能层氧化钽沉积工艺关键影响因素氧分压,并讨论了氧化钽厚度对器件电特性的影响,得出最佳氧分压为5%（五氧化二钽陶瓷靶）,最佳厚度为10 nm,将器件的耐受性提高至10万次。其次,从电极工程的角度对比了三种结构:ITO/TaOX/TiN、ITO/TaOX/Pt和Ag/TaOX/TiN器件性能,分析了ITO/TaOX/TiN低操作电压(Vset/Vreset为36 mV/-109 mV)和高一致性的机理:ITO电极的富氧特性使得功能层中形成氧浓度梯度,有利于操作电压的降低;此外,TaOX/TiN界面形成的TiON层可以防止氧流失并将阻变行为限制在该层附近,使得ITO/TaOX/TiN具有高一致性。最后,在ITO/TaOX/TiN结构基础上插入氧化铝层,通过优化氧化铝插层位置和厚度,将器件的操作电流从mA级别降低至100 nA,器件的set和reset功率降低至586p W/40.2 nW;当氧化铝插层厚度为10 nm时,器件在10μA的操作电流下可循环1万次。通过肖特基发射公式计算得知,插入氧化铝层后器件的肖特基势垒高度几乎升高一倍;氧化铝层提供额外的氧离子,使导电细丝断裂的空隙变大,导致器件功耗的降低与窗口的增大。基于本文实验结果与分析,证实了合适的电极结构和插层材料,可以提高器件一致性、降低器件功耗,为高一致性、低功耗阻变存储器研究奠定了基础。
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