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随着数字技术的发展,对存储器的性能也提出了更高的要求,如高速度、高密度、低功耗、长寿命和更小的尺寸等。对于当前非挥发性存储器主流的flash闪存,当器件的特征尺寸减小到65nm以下时,传统多晶硅浮栅结构Flash存储器件的擦写速度与可靠性的矛盾以及栅介质漏电等问题,在很大程度上限制了传统Flash存储器的进一步发展。因此,用于取代flash的新型非挥发性存储器的研发引起了广泛关注,如铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)及阻变存储器(RRAM)。在这些存储器当中,阻变存储器(RRAM)因为其具有制备简单、存储密度高、操作电压低、读写速度快、保持时间长、尺寸小、非破坏性读取、低功耗、与传统CMOS工艺兼容性好等优势而被广泛研究,有成为下一代通用存储器的潜力。
阻变存储器结构简单,存储单元基本构造为在上下两电极之间加入一层阻变材料,通过改变加在两个电极之间的脉冲电压的方向或大小,可以改变阻变材料的状态处于高电阻或者低电阻态,以此区分“0”和“1”的信号值。这种电阻值改变的现象是由于电场引起阻变材料晶体结构或者微观构造改变而引起的,并且状态可以在移去电压后长期保持。阻变材料体系包括:金属氧化物,非晶硫系化合物,固体电解质和有机物。我们基于固体电解质材料的开关特性,制备了基于非晶Ag-Ge-Se体系和给予非晶Ag-Ge-O体系的非挥发阻变存储器。主要的研究成果如下:
1.采用固相烧结工艺制备了具有准确化学配比的固相靶材。并首次采用电子束蒸发(EBE)工艺制备了非晶Ag-Ge-Se固体电解质薄膜,并利用SEM、AFM等分析手段检测分析了薄膜的结构特性和形貌特征,优化了利用电子束蒸发技术制备该类固体电解质薄膜的工艺,获得了具有较好化学稳定性、均匀性和表面平整度的Ag-Ge-Se薄膜,满足了制备原型器件的需要。
2.制备了三明治结构的基于AGS材料的存储器试验器件,存储单元构造为Ag/AGS/Pt,结构简单。对该存储单元进行的性能测试显示高低阻值比达到104,开关电压低至±0.1V,并且可以多次重复读写,存储性能稳定。
3.利用脉冲激光沉积(PLD)工艺制备了具有相同化学配比的Ag-Ge-Se薄膜,分析检测了利用不同工艺制备的固体电解质薄膜的微观结构和表面形貌等不同,并检测了两种工艺制备的薄膜存储性能的差异,提出了相应的解释。
4.使用电子束蒸发工艺制备了Ag-Ge-O固体电解质薄膜,利用SEM分析了薄膜的表面形貌,获得了具有较好获得了具有较好化学稳定性、均匀性和表面平整度的AGO薄膜,满足了制备原型器件的需要;制备了三明治结构的AGO存储器存储单元,测试显示高低阻比达到108,开关电压为2.1V和-1.5V,具有明显的开关特性。