高速、高密度、低功耗的阻變非揮發(fā)性存儲(chǔ)器研究.pdf

1、半導(dǎo)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(shù)快
　　 速發(fā)展的原動(dòng)力。但當(dāng)前主流的非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)——基于電荷存儲(chǔ)機(jī)制的
　　 Flash 存儲(chǔ)器隨工藝技術(shù)代拓展遇到嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸，無法滿足信息技術(shù)迅速發(fā)
　　 展對(duì)超高密度存儲(chǔ)的要求。為了延續(xù)摩爾定律的前進(jìn)腳步，許多基于其它存儲(chǔ)概
　　 念的新型非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)受到科研界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。其中，基于薄膜材
　　 料的可逆電致電

2、阻效應(yīng)的阻變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(resistive random access memory,
　　 RRAM)，因其具有簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)、低壓低功耗操作、高速擦寫和極佳的尺寸
　　 縮小性等優(yōu)勢(shì)，并且其材料與當(dāng)前CMOS 工藝兼容，被認(rèn)為是下一代非揮發(fā)性
　　 存儲(chǔ)器的最有力競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)特性，開展了材料的摻雜改性、器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和阻變機(jī)理等方面的<

3、br>　　 研究工作。
　　 針對(duì)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(duì)金屬氧化物材料進(jìn)行改性的方法來改善其存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)
　　 的阻變特性和電阻轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制，并通過材料分析手段研究了摻雜物質(zhì)對(duì)二元
　　 金

4、屬氧化物材料的影響，對(duì)摻雜元素所起的作用進(jìn)行了分類和總結(jié)。這項(xiàng)研究結(jié)
　　 果為如何提高阻變材料的阻變特性提供了理論上的指導(dǎo)。
　　 基于固態(tài)電解液材料體系的RRAM是目前阻變領(lǐng)域內(nèi)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(dǎo)電細(xì)絲的形成和破滅導(dǎo)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(diǎn)，但
　　 是，由于金屬性導(dǎo)電細(xì)絲成核和生長(zhǎng)過

5、程的隨機(jī)性本質(zhì)，導(dǎo)致這類RRAM的阻
　　 變參數(shù)存在較大的離散性，限制了其存儲(chǔ)性能的進(jìn)一步提高。為了解決這個(gè)關(guān)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(jié)構(gòu)來達(dá)到控制導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)過程的目的。通過對(duì)Ag/ZrO2/Cu NC/Pt 原型
　　 器件的阻變性能的系統(tǒng)研究，驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)對(duì)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(zhǎng)在Cu 納米晶上的導(dǎo)電細(xì)絲的TEM 照片，直觀
　　 地證明了納米晶層對(duì)導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)位置和方向的控制作用，并結(jié)合電場(chǎng)分布的模
　　 擬結(jié)果，建立了電場(chǎng)控制納米晶生長(zhǎng)過程的物理模型。同時(shí)，通過TEM的材料
　　 表征方法獲得了導(dǎo)電細(xì)絲的微觀成分，建立了導(dǎo)電細(xì)絲形成和破滅

7、的微觀物理模
　　 型。
　　 采用多值存儲(chǔ)技術(shù)來提升下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度是當(dāng)前發(fā)展高
　　 密度存儲(chǔ)技術(shù)的重要途徑之一。我們?cè)诩{米晶控制導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)的理論基礎(chǔ)上，
　　 制備了與CMOS 工藝兼容的Cu/ZrO2/Cu NC/Pt 結(jié)構(gòu)的RRAM 器件，并對(duì)其存儲(chǔ)
　　 特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。這種結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器具有低操作電壓、均勻的轉(zhuǎn)變參數(shù)和
　　 2 bit/cell的多值存儲(chǔ)