SnO2基ReRAM的制备及电阻开关特性研究

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近年来,便携设备消费量的日渐增长使得存储器市场占有率得到了迅速提高,如今,存储器已经在各种电子产品中得到了广泛的应用,为我们的日常工作和生活带来了很大的方便。随着半导体电子技术飞速发展,对存储器性能的要求也更高,如高速、高存储密度、长寿命、低功耗、非挥发性和稳定可靠等。闪存是当前主流的非挥发性存储器,但是,闪存随工艺技术的飞速发展已经遇到了严重的、难以解决的技术问题,其利用电荷存储信息的方式在尺寸越来越小的CMOS工艺中遇到了极大的挑战,已经无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。因此,人们开始研究兼具非挥发性和高速度等优点的存储器,目前正在研究的有铁电存储器(FRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PCRAM)和电阻式存储器(RRAM)等。其中,基于薄膜材料特性的可逆电阻开关效应的电阻式存储器(RRAM)因其具有高速、低压低功耗、结构简单、可高密度集成、较长的数据保存时间和极佳的尺寸缩小性等优势,并且其制备工艺与传统的CMOS工艺兼容,被认为有望成为下一代通用非挥发性存储器。  SnO2作为一种宽禁带(室温下Eg=3.6eV)的n型半导体材料,由于其优良的光学、电学性质以及化学稳定性,应用十分广泛。目前无机工业用于锡盐制造。颜料工业中与铬酸盐、石灰、钒、氯等进行不同配合,可得红色、米黄色、黄色、紫金色等不同颜色,作为陶瓷、搪瓷的着色剂。玻璃工业用作玻璃磨光剂,以及用于制造不透明玻璃、乳白玻璃等。印染工业用作织物的煤染剂和增重剂。还用作分拆化学试剂,钢和大理石的磨光剂,有机合成催化剂等。此外,还可以用于制造搪瓷、电磁材料等。本文将讨论SnO2的一个新的应用领域,即新型非挥发性存储器RRAM方面的应用,主要探讨SnO2薄膜的电阻开关特性及工艺参数对其性能的影响。  在本文中,我们先在玻璃上采用热蒸发沉积一层 Al膜作为电阻开关器件的下电极,再用直流磁控溅射法在其上沉积一层 SnO2薄膜作为中间层,最后再用电子束蒸发法在其上蒸镀一层 Au膜作为电阻开关器件的上电极,从而最终制备得到了Au/SnO2/Al三明治结构的电阻开关存储器件。通过紫外可见光谱仪、X射线衍射仪(XRD)、I-V测试仪等测试方法对SnO2薄膜的生长状况以及它的电阻开关特性进行研究,并讨论了不同的薄膜厚度、氧流量与退火温度等沉积条件对器件的性能影响。  研究表明:由直流磁控溅射法制备的SnO2薄膜表现出了稳定可靠的单极性电阻开关特性,当在器件两端施加一定电压时,器件可以在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)间进行重复性的阻态转换,而未施加电压时,器件可以稳定地保持在一定阻态。器件处于低阻态时的电流传导为欧姆传导机制,器件处于高阻态时为空间电荷限制电流传导机制,我们可以用“灯丝”理论对SnO2薄膜的电阻开关特性进行描述,氧空位在“灯丝”形成过程中起着非常重要的作用。SnO2基电阻开关器件的forming电压与其沉积时间正相关,而 set电压、reset电压与 SnO2薄膜的沉积时间关系较小。退火温度的增加会使forming电压也增大,但是set电压、reset电压与退火温度的相关性较小。器件的高阻态阻值与 SnO2薄膜原始态的电阻存在很大的联系,高阻态阻值随氧分压和退火温度的增加而变大,而低阻态阻值受氧分压和退火温度的影响较小。
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