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随着半导体技术的发展,集成电路上的CMOS器件尺寸越来越小。目前,进一步减小光刻的线宽在技术上难度越来越大,而随着器件的缩小,量子隧穿效应导致器件漏电流和功耗的急剧增加将使器件失效。集成电路科技正面临着物理和工艺两大极限问题。为了解决这些问题,人们必须更多地依赖新的器件设计和新材料的引入。非挥发性存储器是超大规模集成电路的重要元件,设计和制备尺寸更小,集成度更高的非挥发性存储器件是未来集成电路技术发展所面临的迫切任务。近年来基于材料的可控电阻转变的存储器件,即“阻变存储器”(RRAM)的发展引人注目。由于它具有结构简单,制造成本低,功耗低,可快速读写,单个器件可缩小至数十纳米等特点,被国际半导体技术路线图列为可行性很高而风险最低的新型非挥发性存储器件方案。
在本项研究工作中,作者设计了阻变存储单元和阻变存储元件阵列的结构与工艺,使用脉冲激光沉积(PLD)制膜技术和聚焦离子束刻蚀的方法制备了具有非挥发特性的Ag/(AgI)0.5(AgPO3)0.5/Pt和Ag/Ag-Ag2S-AgPO3/Pt单元阻变存储元件和阻变存储原型器件阵列,建立了阻变存储元件测试系统,并系统研究了阻变材料在电场作用下的结构转变机理以及阻变存储器件的开关和记忆特性。主要工作如下:
1.首次使用AgPO3基固体电解质材料制备了具有非挥发性的阻变存储器件。器件的高阻态低阻态变比达到106以上。开关速率最快能在200ns以内,开关次数达到106以上。并对Ag/Ag-Ag2S-AgPO3/Pt器件的多态存储现象做了探索性研究,结果表明阻变存储器件可用于多态存储。
2.为了研究不同电场作用下器件的电学性质,我们设计并搭建了一套阻变存储器件电学性质测试系统。它可用于阻变存储器件的直流特性和高频特性测量。目前,该系统已经用于多种阻变存储器件的性能研究。
3.从电化学沉积动力学出发对器件的开关机制进行了理论研究。对器件在开启过程中内部金属纳米线形成过程进行了模拟,并对器件处于开态下电学性能的演变进行了分析研究。结果表明,在器件刚处于开启状态时,电化学沉积过程是决定器件电学性能的主要因素。而当器件开启后的时间里,固体电解质内部的离子扩散和活性电极中的离子的注入是决定器件电学性能的主要因素。
4.设计了阻变存储器件原型阵列的制备工艺,使用光刻、剥离和热蒸发的方法制备了基于固体电解质(AgI)0.5(AgPO3)0.5和Ag-Ag2S-AgPO3等材料的16×16的crossbar结构的阻变存储阵列。探索了现有的半导体加工技术在固体电解质薄膜阻变存储阵列制备中应用的途径。