離子注入對氧化鉿阻變薄膜的改性與研究

《離子注入對氧化鉿阻變薄膜的改性與研究》是依託電子科技大學,由帥垚擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：離子注入對氧化鉿阻變薄膜的改性與研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：帥垚

項目摘要

氧化物阻變薄膜中導電細絲的形成與其內部氧空位等缺陷密切相關，然而氧化物薄膜在生長過程中引入的氧空位濃度與分布無法精確控制，這導致導電細絲的形成具有較大的隨機性，進而造成阻變單元的性能無法獲得較高的一致性與穩定性，限制了大規模阻變存儲器陣列的研製。本項目提出採用離子注入的方式對目前典型的阻變材料氧化鉿（HfO2）薄膜進行調控，通過調整注入的條件，以可控的方式在薄膜中引入氧空位。結合微觀表征與電學性能測試，研究注入條件對氧空位濃度與分布，以及對HfO2薄膜阻變性能的影響。利用合理的物理模型，闡明離子注入對導電細絲形成的影響機制。最佳化注入條件，並結合局部離子注入技術，製備出穩定性高、一致性好的HfO2基阻變薄膜。

結題摘要

本項目圍繞阻變薄膜的製備技術與離子注入改性方法，系統研究了低操作電壓阻變單元的製備方法和高可控性單晶薄膜阻變器件的離子注入改性方法。 以亞微米尺寸、形狀規則、分布均勻的貫穿孔洞的多孔SiO2氣凝膠薄膜作為模板，利用納米模板鑄造技術，成功製備出基於TiOxFy薄膜的阻變存儲器點陣。阻變電源開關比大於104以上，且在85℃時具有優異的數據保持特性和抗疲勞特性。而且它具有極低的開啟電壓（0.07V），低於目前所報導的大多數超薄阻變材料的開啟電壓。通過TEM分析，在阻變層中發現了AgF納米晶的存在。通過XPS分析，闡明了電漿處理法對阻變層化學狀態的影響以及AgF納米晶形成的原因。隨後提出了AgF輔助導電，縮短阻變層中金屬導電通道距離的導電模型，並對該模型進行了詳細的分析。最後利用該模型，成功解釋了在該器件中觀察到的多級阻變現象，加深了對該器件的阻變機理和導電過程的理解。製備過程完全在室溫下進行，製備流程與CMOS工藝兼容，且器件操作電壓低，因此該阻變單元的製備技術在與CMOS電路集成的低功耗非易失性存儲器方面具有潛在套用。 採用雷射退火和真空退火的方式在單晶STO襯底上製備了共面電極結構的阻變單元。雷射退火處理的樣品開關比大於2個量級，XPS分析表明氧空位在襯底表面附近的遷移使導電細絲連通或斷開，從而產生了阻變效應。真空退火處理的樣品具有方向可變二極體的特性，XPS分析表明電極與STO襯底界面的勢壘變化是產生這一效應的主要原因。採用離子注入剝離法在LNO同質襯底上製備了單晶LNO阻變薄膜材料，薄膜厚度小於500nm。採用真空或還原氣氛退火，在LNO薄膜材料中產生氧空位，並觀察到了阻變現象，開關閉大於2個量級且具有良好的數據保持特性，可開關次數大於500次。TEM分析表明氧空位局部導電細絲在上電極附近的導通與切斷是產生阻變現象的主要原因。基於單晶材料的阻變單元具有可控性佳、重複性好、性能均勻性高的優點，在大規模憶阻神經網路的構建方面具有潛在套用。