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【6h】

RF-溅射制备氧化钒薄膜及其电致开关特性研究

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摘要

为适应集成电路对存储器低功耗、高容量、高速度等要求,阻变存储器因为其简单的结构、操作功耗低和工艺简单并兼容于当今主流工艺而成为最有竞争力的下一代存储器的候选。至今,阻变存储器的研究中对材料体系筛选及优化的研究仍是一项重要的任务。氧化钒材的MIT特性被广泛研究,但是在电致作用下并且应用于阻变存储的研究至今还是处于初期。
　　 本论文以氧化钒作为阻变存储器的关键材料出发,通过用不同制备工艺方法在不同条件下制备了的氧化钒薄膜,并用XRD、AFM、XPS、半导体参数分析仪等相关分析测试手段和方法对薄膜特性进行表征。最后,在前期工艺探索的基础上制备了具有不同底电极和功能层厚度的器件,并进行了相关电学性能测试分析,初步的分析了影响其电学性能的因素以及电致开关特性的原因,主要研究内容及相关结论如下:
　　 (1)薄膜制备工艺方法的对比:本论文采用了四种方法制备薄膜,①DC-溅射②RF-反应溅射③RF-溅射④金属钒膜氧气气氛下退火。通过数据分析对比发现:采用DC-溅射沉积薄膜的速率是采用RF-溅射沉积薄膜的2.4倍以上；通过XRD分析DC-溅射沉积的薄膜比采用RF-溅射制各的薄膜的成分复杂；AFM形貌分析得出RF-溅射制备的薄膜的粗糙度及致密程度均优于DC-溅射；XPS对薄膜组分析发现在RF-溅射方法下制备的薄膜的氧钒原子比为2.70:1,DC-溅射下为3.47:1。
　　 (2)分析了不同薄膜制备工艺下制备的薄膜的电致开关特性,并得出运用RF-反应溅射在氧分压为10％、溅射功率为100 w、室温下制备的氧化钒薄膜具有相对于其他方法制备的薄膜更优的可逆开关特性Forming电压为3.79 V,Set/Reset电压分别为1.45和0.53 V,Reset电流为13.2 mA。
　　 (3)通过对分别在Pt、Al和Cu底电极上制备氧化钒薄膜的电学性能分析,初步分析了氧化钒薄膜发生电致开关特性的机理,在以Pt为电极时为一种挥发性的电阻转变特性:Al电极的测试中发现了类似于Pt电极的现象；而以Cu为电极时,出现了稳定的非挥发性电阻转变,由于Cu具有易扩散性。推测此现象是因为Cu离子扩散到介质层形成和断裂导电通道的导电细丝阻变机制。
　　 (4)通过对在Cu底电极上制备不同厚度的氧化钒薄膜的电学分析,讨论了薄膜厚度对电致开关特性的影响,发现Forming电压随着薄膜厚度增加而上升,但是Set/Reset现象没有随薄膜厚度有明显变化。
　　 本论文通过对不同薄膜制备工艺方法的对比和改变不同底电极以及改变功能层厚度测试结果,获得较好应用于阻变存储的薄膜沉积工艺,及发生电致开关特性的机理,以上有限的工作给氧化钒薄膜应用于阻变存储提供了一定的实验基础。

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