有序可控纳米硅量子点阵列在新型硅基阻变存储器中的应用及其阻变机制探究

The resistive switching behavior of nc-Si films supplies a new way for the design of a new generation nonvolatile memory. Through the bridge and break of nc-Si pathway, the switching between low resistive state and high resistive state can be realized. The stability of high resistance and low resistance state can be enhanced due to the controllable conduction pathway distributed in the structure of ordered and size-controlled nc-Si matrix. Therefore the investigation of the resistive switching memory based on nc-Si quantum dots has great scientific and application potential in the future. In order to fabricate the new generation resistive switching memory, we will carry out the research on the fabrication method for size-controlled nc-Si quantum dots and the construction of resistive switching memory by using the microelectric technology in detail. According to the confined-crystallization principle and the rules of “top-down and bottom-up”, we will design and investigate the new generation nonvolatile memory, which can be integrated with the nanoelectric chip with high density and low power consumption.

纳米硅量子点薄膜的阻变特性为当前探索研制新型硅基非挥发性存储器提供了一条新的思路，通过控制纳米硅量子点通道的连接和断开，可以实现低阻和高阻的变换，从而实现信息存储的功能，而有序可控纳米硅阵列结构则可以使导电通道在空间位置上有序的分布，从而可以提高阻变存储器高低阻态的稳定性，因而对纳米硅量子点阻变存储器的研究将具有重要的科学意义与应用前景。为了探索和研制出具有实用意义的新型硅基阻变存储器，本项目将立足于与当前微电子工艺相兼容的的技术手段，对纳米硅量子点的可控形成技术、纳米硅量子点的性能、纳米硅阻变器件的构建进行系统而深入的研究。基于限制性晶化原理，结合“自下而上”与“自上而下”技术的各自特点，发展一条获得有序可控高密度硅基纳米结构的新途径，设计和研制可在未来高密度、低功耗硅基纳电子集成芯片上获得应用的新一代非挥发性存储器。

本项目立足于与当前微电子工艺相兼容的技术手段，对纳米硅量子点的有序可控形成技术、纳米硅量子点的性能、纳米硅阻变器件的构建进行系统而深入的研究。采用PECVD技术，结合热退火和刻蚀技术制备出三维有序均匀分布的纳米硅量子点阻变存储器件。研究发现基于有序纳米硅量子点通道的多层纳米硅阻变存储器的免电激活特性来源于薄膜中的多层纳米硅结构，该结构提升了器件初始时的导电性，分隔开的纳米硅晶粒在器件中预先形成了断开的导电通道，初始态和高阻态差别很小，从而使得器件forming时容易形成连续导电通道。通过控制有序纳米硅量子点通道的连接和断开，可以实现低阻和高阻的变换，从而实现信息存储的功能，有序可控纳米硅阵列结构则可以使导电通道在空间位置上有序的分布，从而可以提高阻变存储器高低阻态的稳定性。并通过大氢稀释的方法获得了免电激活特性的纳米硅/氮化硅双层膜阻变存储器，通过变温电学特性和理论模型计算证明了原始沉积的中高密度纳米硅量子点和硅悬挂键组成的混合导电通道是免电激活特性的主要原因，低阻态时在正向电场作用下硅氢键断裂形成新的悬挂键，而在反向电场作用下氢离子钝化硅悬挂键，导致混合阻变通道断裂形成高阻态。设计并制备出cross-bar 架构的纳米硅阻变存储器阵列，研究了从纳米硅阻变存储器单元到矩阵的外围电路工作电压的优化选取、版面设计和工艺模板设计，为将有序纳米硅量子点设计和研制出的免电激活的高密度、低功耗纳米硅阻变存储器应用于新一代非挥发性存储器奠定了实验和理论基础。