磁控濺射法制備硅基薄膜及其電阻轉(zhuǎn)變特性的研究.pdf

1、隨著信息社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)存儲(chǔ)器(Memory)提出了愈加高的要求。目前在市場(chǎng)上依舊占據(jù)主流地位的閃存(Flash Memory)在存儲(chǔ)容量(Capacity)、寫(xiě)入擦除讀取速度(Speed)、體積(Volume)、穩(wěn)定性(Stability)、功耗(Consumption)等方面均無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的需求。阻變存儲(chǔ)器(Resistance Random Access Memory,RRAM)，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、穩(wěn)定性高、功耗低、

2、易集成等特點(diǎn)，引起了全球科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。一般而言，阻變單元由類(lèi)似于金屬/介質(zhì)層/金屬(Metal/Insulator/Metal)的“三明治”結(jié)構(gòu)組成，介質(zhì)層通常為過(guò)渡族金屬氧化物等材料，金屬層可為鋁、銅等金屬，該結(jié)構(gòu)具有與現(xiàn)有半導(dǎo)體集成工藝較好的兼容性;但是，在電阻轉(zhuǎn)變機(jī)理上還存在有較大的不確定性，主流的電阻轉(zhuǎn)變行為由導(dǎo)電通道的形成和斷裂(formation and rupture of conductive channels)或

3、界面勢(shì)壘的調(diào)整(adjustment of interface barrier)所導(dǎo)致的，因此需要進(jìn)一步的研究來(lái)澄清電阻轉(zhuǎn)變的機(jī)理。
　　早在上世紀(jì)70年代，人們就發(fā)現(xiàn)了通過(guò)化學(xué)氣相沉積法沉積的非晶硅基薄膜(a-Si film)具有電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。隨后在硅氧薄膜中也發(fā)現(xiàn)了電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，并且具有優(yōu)異的非揮發(fā)存儲(chǔ)特性。然而，基于硅基薄膜的電阻轉(zhuǎn)變行為的機(jī)理依舊需要進(jìn)行大量的工作。本文通過(guò)磁控濺射法在硅片或ITO導(dǎo)電玻璃上沉積硅氧薄膜、氮

4、硅薄膜、氮氧硅薄膜和碳氧硅薄膜，通過(guò)改變制備工藝參數(shù)，探究薄膜參數(shù)的變化對(duì)單元電阻轉(zhuǎn)變行為的影響，歸納電阻轉(zhuǎn)變的機(jī)理。研究表明:(1)隨著氧含量的增加，采用反應(yīng)射頻濺射硅靶材制備的Ag/SiOx/p+-Si器件的良率、高低阻抗比和穩(wěn)定性等參數(shù)都得到了提高，其導(dǎo)電行為取決于SiOx薄膜中缺陷類(lèi)型，這也是受摻入的氧元素控制。對(duì)于富氧的SiOx薄膜，氧空位成為了導(dǎo)電缺陷;(2)通過(guò)“電流退火”在不同工藝參數(shù)下制備的富硅的硅氧薄膜，硅原子聚集為

5、非晶硅團(tuán)簇，形成非晶硅通道，使得Cu/SiOx/p+-Si器件從記憶電阻模型轉(zhuǎn)變到閾值電阻模型。其電阻轉(zhuǎn)變機(jī)理取決于器件制備過(guò)程形成的缺陷態(tài)，例如:當(dāng)退火溫度較低、厚度較小時(shí)，電子通過(guò)缺陷的俘獲和去俘獲的跳躍導(dǎo)電或非晶硅團(tuán)簇間的隧穿導(dǎo)電;當(dāng)薄膜厚度達(dá)到78nm，絕緣層和半導(dǎo)體間的肖特基勢(shì)壘成為電阻的主要貢獻(xiàn)者;(3)Ag/SiN/p+-Si器件在氮濃度為50％、介質(zhì)層厚度為10nm下體現(xiàn)出了相對(duì)優(yōu)異的電阻轉(zhuǎn)變特性，其導(dǎo)電機(jī)制可歸因于基于

6、SiN薄膜中不可移動(dòng)的氮相關(guān)缺陷的跳躍導(dǎo)電模型;(4)在0.8sccm氧流量下制備的Cu/SiOxNy/ITO器件具有相對(duì)較好的雙極性電阻轉(zhuǎn)變特性，同時(shí)電子通過(guò)氧空位的俘獲和去俘獲的跳躍導(dǎo)電是主要的導(dǎo)電機(jī)制，其電阻轉(zhuǎn)變行為是基于氧空位導(dǎo)電通道的形成和斷裂;(5)最后，利用反應(yīng)濺射SiC靶制備的富氧的Ag/SiCxOy/p+-Si/Al器件也具有典型、穩(wěn)定的雙極性電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，其導(dǎo)電狀態(tài)受填滿的陷阱限制的空間電荷限制電流(trap-fil

7、led limited space charge limited current)和SiCxOy/p+-Si之間界面的肖特基勢(shì)壘共同作用，表明在SiCxOy薄膜中的氧空位起到主要作用。
　　因此，對(duì)于硅基薄膜，一方面，若無(wú)或少量摻雜元素來(lái)鈍化硅懸掛鍵(Si dangling bond)，硅原生缺陷形成的導(dǎo)電機(jī)制起主要作用，例如:Poole-Frenkel發(fā)射、FN隧穿或硅導(dǎo)電通道;另一方面，隨著O、N、C分別或同時(shí)進(jìn)入硅薄膜，由于