高速、高密度、低功耗的阻變非揮發(fā)性存儲器研究.pdf

1、半導體器件的尺寸隨著摩爾定律的不斷縮小是支撐集成電路和信息技術快
　　 速發(fā)展的原動力。但當前主流的非揮發(fā)性存儲技術——基于電荷存儲機制的
　　 Flash 存儲器隨工藝技術代拓展遇到嚴重的技術瓶頸，無法滿足信息技術迅速發(fā)
　　 展對超高密度存儲的要求。為了延續(xù)摩爾定律的前進腳步，許多基于其它存儲概
　　 念的新型非揮發(fā)性存儲技術受到科研界和學術界的廣泛關注。其中，基于薄膜材
　　 料的可逆電致電

2、阻效應的阻變隨機存取存儲器(resistive random access memory,
　　 RRAM)，因其具有簡單的器件結構、低壓低功耗操作、高速擦寫和極佳的尺寸
　　 縮小性等優(yōu)勢，并且其材料與當前CMOS 工藝兼容，被認為是下一代非揮發(fā)性
　　 存儲器的最有力競爭者之一。本文圍繞如何改善基于二元金屬氧化物的RRAM
　　 器件的存儲特性，開展了材料的摻雜改性、器件的結構設計和阻變機理等方面的<

3、br>　　 研究工作。
　　 針對基于二元金屬氧化物的RRAM在阻變性能方面存在的不足，我們提出
　　 了采用摻雜的手段對金屬氧化物材料進行改性的方法來改善其存儲特性。系統(tǒng)地
　　 研究了Au/Cr/ZrO2:Zr/n+-Si，Au/Cr/ZrO2:Au/n+-Si，Cu/ZrO2:Ti/Pt 這三種材料結構
　　 的阻變特性和電阻轉變的物理機制，并通過材料分析手段研究了摻雜物質對二元
　　 金

4、屬氧化物材料的影響，對摻雜元素所起的作用進行了分類和總結。這項研究結
　　 果為如何提高阻變材料的阻變特性提供了理論上的指導。
　　 基于固態(tài)電解液材料體系的RRAM是目前阻變領域內最重要的一種器件類
　　 型。這類RRAM的阻變現(xiàn)象主要是由金屬性的導電細絲的形成和破滅導致的。
　　 雖然固態(tài)電解液類型的RRAM 具有高速、低功耗和優(yōu)秀的可縮小性等優(yōu)點，但
　　 是，由于金屬性導電細絲成核和生長過

5、程的隨機性本質，導致這類RRAM的阻
　　 變參數(shù)存在較大的離散性，限制了其存儲性能的進一步提高。為了解決這個關鍵
　　 性問題，我們提出了一種在下電極表面增加一層金屬性納米晶層的新型RRAM
　　 器件結構來達到控制導電細絲生長過程的目的。通過對Ag/ZrO2/Cu NC/Pt 原型
　　 器件的阻變性能的系統(tǒng)研究，驗證了這種結構對阻變參數(shù)的離散性具有明顯的改
　　 善效果。通過透射電鏡 (tr

6、ansmission electron microscopy, TEM)的分析方法獲得
　　 了Ag/ZrO2/Cu NC/Pt 器件中生長在Cu 納米晶上的導電細絲的TEM 照片，直觀
　　 地證明了納米晶層對導電細絲生長位置和方向的控制作用，并結合電場分布的模
　　 擬結果，建立了電場控制納米晶生長過程的物理模型。同時，通過TEM的材料
　　 表征方法獲得了導電細絲的微觀成分，建立了導電細絲形成和破滅

7、的微觀物理模
　　 型。
　　 采用多值存儲技術來提升下一代非揮發(fā)性存儲器的存儲密度是當前發(fā)展高
　　 密度存儲技術的重要途徑之一。我們在納米晶控制導電細絲生長的理論基礎上，
　　 制備了與CMOS 工藝兼容的Cu/ZrO2/Cu NC/Pt 結構的RRAM 器件，并對其存儲
　　 特性進行了系統(tǒng)的研究。這種結構的存儲器具有低操作電壓、均勻的轉變參數(shù)和
　　 2 bit/cell的多值存儲