本文關鍵詞： 外延NiO_x薄膜 變溫電阻開關特性 隧穿機制　出處：《西南大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：氧化物薄膜電阻開關存儲器(ReRAM)具有快速的讀/寫速度(~10 ns)、優(yōu)異的耐受性(106次讀/寫次數(shù))和超長的存儲穩(wěn)定性(~10年)等優(yōu)點,而且結構簡單,功耗低(~幾十pJ),并兼容當前硅基半導體集成工藝,是現(xiàn)今最具應用潛力的新一代非易失性存儲器之一�；贜iOx薄膜的ReRAM是迄今研究最深入的材料體系之一,然而,以往研究者多關注NiOx多晶薄膜的電阻開關特性,對Ni Ox外延薄膜,特別是金屬基底上外延生長NiOx薄膜的研究相對甚少。此外,隨著人類活動范圍的延伸和現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展,極端環(huán)境條件下ReRAM器件的穩(wěn)定性研究也提上了日程。本文主要研究金屬種子層上外延生長NiOx的薄膜電阻開關效應對溫度的依賴性。首先利用射頻磁控濺射方法沉積制備了富氧NiOx多晶(poly-NiOx)薄膜,研究了其電阻開關特性隨測試溫度的變化。Ag/poly-NiOx/Pt存儲單元的電流-電壓測試曲線呈現(xiàn)閾值型電阻開關特性:分別在2.1到2.4 V的正偏壓范圍和-2到-2.2 V的負偏壓范圍內觀測到了高/低電阻態(tài)之間的穩(wěn)定可逆跳變。隨著測試溫度的升高,負偏壓范圍的電阻開關現(xiàn)象在140℃基本消失,而正偏壓范圍內的電阻開關現(xiàn)象可維持到270℃。運用指數(shù)定律擬合室溫下電流-電壓曲線結果表明,薄膜隧穿電流屬于缺陷主導的空間限制電流;運用Arrhenius作圖法擬合的電流-溫度曲線滿足線性關系,表明薄膜隧穿電流隨測試溫度的變化符合肖特基熱激發(fā)隧穿機制。在周期性電場作用下,從銀電極擴散進入薄膜中的Ag離子在薄膜中的氧化還原反應導致存儲單元呈現(xiàn)閾值型電阻開關特性。接下來,以MgO(100)基底上最優(yōu)化制備條件下沉積制備的Pt(100)薄膜為外延種子層,沉積獲得高取向的NiO(111)外延薄膜(epi-Ni Ox),三角錐形晶粒形成平整致密的膜面。Ag/epi-NiO(111)/Pt(100)存儲單元的電流-電壓曲線呈現(xiàn)出典型的雙極性電阻開關特性:在160個穩(wěn)定循環(huán)中,置/復位電壓分別穩(wěn)定在0.75和-0.9V;在-0.5V讀取電壓下,高/低電阻比大于5。指數(shù)定律擬合電壓-電流曲線結果表明,薄膜隧穿電流機制符合缺陷主導的空間限制電流效應。隨著測試溫度的升高,其電阻開關現(xiàn)象可維持到80℃。運用Arrhenius作圖法以及肖特基隧穿機制擬合高阻態(tài)電流-溫度曲線滿足線性關系,這表明高阻態(tài)漏電流隨測試溫度的變化符合肖特基熱激發(fā)隧穿機制。在優(yōu)化條件下,我們在Pt(100)種子層上沉積制備獲得了膜面平整但嵌套納米微孔的Ni O(100)外延薄膜。X射線Phi掃描和透射電鏡測試結果證明epi-NiOx(100)與Pt(100)種子層滿足“立方-立方”外延生長關系。Ag/epi-NiO(100)/Pt(100)存儲單元呈現(xiàn)出優(yōu)良的雙極性電阻開關特性:在-0.4V讀取電壓下,高/低電阻比大于20,在連續(xù)測量的5000個穩(wěn)定循環(huán)周期中置/復位電壓一直穩(wěn)定在0.6和-0.6V。其電阻開關特性在80℃測試溫度下仍保持最優(yōu)性能,可耐受130℃高溫仍維持明顯的電阻開關特性。低阻態(tài)電流-溫度曲線的Arrhenius和肖特基隧穿機制擬合曲線符合線性擬合關系,這再次表明漏電流隨測試溫度的變化符合肖特基熱激發(fā)隧穿機制。由于epi-NiOx薄膜為垂直上下電極的柱狀晶粒結構,在周期性電場作用下,銀上電極中的Ag離子沿著晶界擴散進入薄膜內部與薄膜中的電子發(fā)生氧化還原反應形成周期性導通/截斷的導電橋通道,從而導致Ag/epi-NiOx/Pt存儲單元呈現(xiàn)出比poly-NiOx薄膜更穩(wěn)定,翻轉電壓大幅降低的雙極性電阻開關特性,該存儲單元有望應用于高溫環(huán)境工作的新一代電阻開關存儲器件。
[Abstract]:Oxide thin film resistive switching memory (ReRAM) with fast read / write speed (~10 NS), excellent tolerability (106 read / write cycles) and long storage stability (~10) etc., and has the advantages of simple structure, low power consumption (~ tens of pJ), and is compatible with current silicon based semiconductor integrated technology that is the most promising new generation of non-volatile memory. One of the NiOx film based on ReRAM is one of the most in-depth study materials so far however, researchers pay more attention to the resistance switching characteristics of NiOx polycrystalline thin films of Ni, Ox epitaxial thin film on metal substrate, especially the study on the growth of NiOx the thin film epitaxy is relatively little. In addition, with the rapid development of extending the range of human activities and the modern science and technology, under extreme environmental conditions on the stability of ReRAM devices is also on the agenda. This paper mainly studies the metal seed layer epitaxial growth of NiOx thin film resistor The temperature dependence of the switching effect. First using radio frequency magnetron sputtering deposition of enriched oxygen to prepare NiOx polycrystalline thin film (poly-NiOx), the current change of.Ag/poly-NiOx/Pt storage unit the resistance switching characteristics with the test temperature of the test curve of voltage threshold electric resistance switching characteristics show: at the negative bias range of positive bias range 2.1 2.4 V and -2 to -2.2 V observed in high / low resistance state between the stable reversible jump. With the increase of temperature, the resistance switching phenomenon of negative bias range disappeared at 140 degrees, while the resistance switching phenomenon of positive bias range can be maintained at 270 degrees. The voltage curve results the current law of exponential fitting at room temperature show that the film tunneling current limiting current defect belongs to the space leading; current temperature curves using Arrhenius mapping method fitting the linear relationship, show that the film tunnel The current change with the test temperature with Schottky Ge excitation tunneling mechanism. In the periodic electric field, from the silver electrode into the Ag ion diffusion oxidation in the films in the film reaction leads to storage unit threshold type resistive switching characteristics. Then, the MgO (100) substrate prepared by deposition of Pt optimization under the condition of (100) thin film epitaxial seed layer deposited high oriented NiO epitaxial thin film (111) (epi-Ni Ox), triangular conical grain forming dense membrane surface.Ag/epi-NiO (111) /Pt (100) current voltage curve storage unit showing bipolar resistive switching characteristics in 160 typical: a stable cycle, set / reset voltage were stable at 0.75 and -0.9V in -0.5V; read voltage, high / low resistance ratio more than 5. exponential law of voltage current curve fitting results show that the film tunneling current mechanism in line with the defects of leading space Among the current limiting effect. With the increase of temperature, the resistance switching phenomenon can be maintained at 80 degrees centigrade. By using Arrhenius mapping method and temperature curve fitting mechanism in Schottky tunneling high impedance current linear, suggesting that changes in the high impedance state leakage current with the test temperature with Schottky Ge excitation tunneling mechanism. Under the optimized conditions next, we in the Pt (100) seed layer deposited on the membrane surface were obtained but nested Ni O nano microporous (100) epitaxial.X X-ray Phi scanning and transmission electron microscopy results show that epi-NiOx (100) and Pt (100) seed layer to meet the "cubic cubic" epitaxial growth relationship between.Ag/epi-NiO (100 /Pt) (100) storage unit presents bipolar resistance switching characteristics: excellent in -0.4V read voltage, high / low resistance ratio is greater than 20, in the continuous measurement of 5000 stable cycle Center / reset voltage has been stable at 0.6 and -0.6 V. the resistance switching characteristics still maintain optimal performance at 80 DEG C test temperature, can withstand the high temperature of 130 DEG C and still maintain the resistance switching characteristics obviously. The temperature curve of low resistance current Arrhenius and Schottky tunneling mechanism in line with the linear fitting curve fitting relationship, it shows once again that the changes of leakage current with the test temperature with Schottky Ge excitation tunnel wear mechanism. Because the epi-NiOx film is a columnar grain structure under vertical electrode, the periodic electric field, silver electrode in the Ag ion diffusion into the internal electronic thin films along grain boundaries and in the film redox reaction to form Periodic conduction / truncation of the conductive bridge channel, resulting in Ag/epi-NiOx/Pt storage unit showing the film is more stable than poly-NiOx, bipolar resistance switching characteristics of switching voltage substantially reduced, the storage unit can be used in the high temperature environment of the new generation Resistor switch storage device.

【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O484;TM564;TP333

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本文編號：1463174