【摘 要】
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忆阻器是一项旨在硬件系统中实现神经形态计算的新兴器件。阻变式随机存储器（Resistive Random Access Memory,RRAM）作为近年来研究广泛、发展迅速、性能优异的忆阻器之一,已经开始慢慢取代其他存储器的地位。随着数字信息时代的带来,信息存储技术飞速发展,半导体存储材料也得到快速发展。RRAM因其功耗更低、存取速度更快、耐久性更强等优势成为存储领域的研究焦点。氧化钽（TaOx）
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忆阻器是一项旨在硬件系统中实现神经形态计算的新兴器件。阻变式随机存储器（Resistive Random Access Memory,RRAM）作为近年来研究广泛、发展迅速、性能优异的忆阻器之一,已经开始慢慢取代其他存储器的地位。随着数字信息时代的带来,信息存储技术飞速发展,半导体存储材料也得到快速发展。RRAM因其功耗更低、存取速度更快、耐久性更强等优势成为存储领域的研究焦点。氧化钽（TaOx）薄膜因其高介电常数、低漏电流密度、高击穿电压且与目前的硅工艺兼容的特点,一直都是制备RRAM最好的阻变材料之一。TaOx薄膜的氧浓度（氧钽比,O/Ta）、晶体结构、微观形貌对其阻变性能的影响极大,而且目前TaOx基双层结构表现出优异的阻变性能。本文通过制备TaOx薄膜及其RRAM,从氧浓度、结晶度、微观结构、电极材料以及双层结构等方面实现TaOx薄膜结构优化及其器件性能提升,同时对其中的阻变机理进行探究。本文主要研究工作包括以下几点:（1）通过反应磁控溅射法在Si基底上生长了多种晶体取向的TaOx薄膜,并不断优化工艺参量。通过改变镀膜气氛中氧分压的大小,成功制备了不同O/Ta和微观结构的TaOx薄膜,而且薄膜表征的结果表明制备的晶态TaOx薄膜元素分布均匀、表面光滑且致密、结晶度高。此外,通过改变氧分压和靶基距,在Si基底上制备了不同晶向的ITO薄膜.。然后探究了ITO薄膜对TaOx薄膜生长的影响。结果表明ITO薄膜会进一步增大TaOx薄膜的O/Ta,同时还会影响其元素分布和微观结构。（2）通过磁控溅射法制备了Ta/TaOx/ITO结构,探究了不同O/Ta的TaOx层对器件阻变性能的影响。结果表明,氧分压为25%的TaOx薄膜结晶性最好,在此基础上制作的Ta/TaOx/ITO结构有最好的电学特性。其中TaOx层的厚度约为200 nm,电阻开关窗口大小达到1.8×10~3,开启电压为3.0 V。通过对不同的底电极研究发现Ta/TaOx/ITO结构的开关电压更低,功耗更低,而Ta/TaOx/Pt/Ti结构有着更大的存储窗口。Ta/TaOx/ITO结构的导电机理主要归结于空间电荷限制电流（Space Charge Limited Current,SCLC）导电机制以及顶电极和TaOx层中丰富的Ta5+形成的导电细丝模型。（3）基于TaOx基双层结构的磁控溅射制备与性能优化的研究。Ta/Hf O2/TaOx/ITO结构的置位和复位电压分别是2.0 V和-1.8 V,存储窗口大小仅为10。而Ta/Zn O/TaOx/ITO结构的置位和复位电压分别为2.0 V和-1.0 V,且开关窗口大小比约为48。因此,Ta/Zn O/TaOx/ITO结构的阻变性能要更好一些。此外,Ta/Zn O/TaOx/Pt/Ti结构能够将开启电压降至0.5 V,同时其电阻开关窗口约为10。Ta/Zn O/TaOx/Pt/Ti结构的TaOx介质层厚度降为50 nm的结构表现出优异的电阻切换特性,其开关电压为1.6 V,开关窗口大小达到10~2数量级。Zn O/TaOx双层结构的导电机理主要基于Zn O层中的氧空位细丝和TaOx层中的Ta5+导电细丝,以及SCLC的导电机制之间的耦合。
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