阻變存儲器(RRAM)器件特性與模型研究.pdf

1、隨著通信、計算機(jī)和個人消費電子產(chǎn)品發(fā)展，市場對非易失性存儲器的需求量越來越大，人們對存儲設(shè)備的要求也越來越高。半導(dǎo)體工藝技術(shù)節(jié)點進(jìn)入20nm，傳統(tǒng)基于浮柵結(jié)構(gòu)的閃存（Flash）的正面臨嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸。因此，實現(xiàn)更高速度、更大容量、更高集成度、更強(qiáng)可靠性和更低功耗的存儲器來取代Flash存儲器成為人們研究的熱點。阻變存儲器以其卓越的特性受到學(xué)術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域的高度重視。本文針對基于ZrO2與Si3N4薄膜的阻變存儲器展開研究，主要內(nèi)容如

2、下：
　　1.論文對Ti/ZrO2/Pt RRAM器件的直流轉(zhuǎn)換、阻變機(jī)制、導(dǎo)電機(jī)制等方面的特性進(jìn)行研究。研究器件的C-V與C-F特性發(fā)現(xiàn)器件高阻態(tài)時表現(xiàn)為電容特性，低阻態(tài)表現(xiàn)為電感特性。通過對介電常數(shù)的計算得到實驗值明顯大于介質(zhì)本身的值。說明器件高阻態(tài)時薄膜中存在沒有與氧離子復(fù)合的氧空位，減小了薄膜的有效厚度。器件高阻態(tài)下阻抗譜Nyquist圖說明RRAM器件在高阻態(tài)可以等效為電阻和電容的并聯(lián)。利用電流驅(qū)動的方式使器件實現(xiàn)電阻轉(zhuǎn)

3、換，并使器件高低阻態(tài)的電阻具有更好的一致性，存儲窗口提高將近一個數(shù)量級。對SET過程限制電流和RESET過程截止電壓對阻變參數(shù)的影響進(jìn)行測試分析，并分析造成影響的原因。通過控制限制電流和截止電壓的大小，實現(xiàn)器件的多值存儲應(yīng)用。研究不同上電極的器件的電阻轉(zhuǎn)變特性與導(dǎo)電機(jī)制。由于Pt的高金屬功函數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的周期較少且數(shù)據(jù)離散性大，器件很容易發(fā)生硬擊穿失去阻變功能。Cu、Ni為上電極的器件均為金屬細(xì)絲導(dǎo)電，通過實驗和理論分析得到Ni為上電極

4、的器件比起Cu為上電極的器件需要更高的轉(zhuǎn)換電壓。
　　2.論文對Ti/ZrO2/Pt RRAM器件的溫度特性進(jìn)行研究。分析溫度對器件電阻、Forming過程、SET/RESET電壓等參數(shù)的影響。其次，針對寄生電容充放電導(dǎo)致器件RESET過程中電流過沖現(xiàn)象，提出利用高溫Forming來改善器件轉(zhuǎn)換性能，并抑制器件的RESET電流過沖。最后針對掃描電壓應(yīng)力與恒定電壓應(yīng)力（CVS）對器件的影響進(jìn)行分析。隨著掃描電壓轉(zhuǎn)變循環(huán)的增加，開態(tài)電

5、流逐漸減小，關(guān)態(tài)電流逐漸增大；低阻電阻逐漸增大，高阻電阻逐漸減小，器件的開關(guān)電阻比變??；SET電壓正向漂移，RESET電壓負(fù)向漂移。CVS應(yīng)力下器件經(jīng)過多級轉(zhuǎn)換實現(xiàn)SET和RESET過程。CVS的應(yīng)力電壓越大，器件實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所用的時間越短。另外，器件低阻態(tài)阻值越低，負(fù)向CVS轉(zhuǎn)換所需時間越長。
　　3.利用COMSOL多物理場仿真軟件，以2-D軸對稱結(jié)構(gòu)為幾何載體，建立包含離子遷移模型、電傳導(dǎo)模型和焦耳熱模型在內(nèi)的RRAM器件2-D

6、軸對稱有限元電-熱耦合模型，模型既包含阻變層材料的電熱特性，也計入了上下電極的材料特性。模型可以準(zhǔn)確地對器件RESET/SET過程I-V特性進(jìn)行模擬。通過求解一系列偏微分方程，得到器件在轉(zhuǎn)換過程中器件內(nèi)部各參數(shù)氧空位濃度 nD、溫度 T、電勢Ψ、電場E、復(fù)合率R和產(chǎn)生率G等參數(shù)的分布細(xì)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，對一些關(guān)鍵因素如溫度、導(dǎo)電細(xì)絲尺寸、電極材料熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率等對器件轉(zhuǎn)變過程的影響進(jìn)行仿真分析，為器件機(jī)制分析和性能提高提供參考。完善的RR

7、AM器件模型的建立對更深入地分析RRAM器件工作機(jī)理以及更好指導(dǎo)RRAM器件制備具有非常積極的作用。
　　4.利用PECVD淀積Si3N4薄膜，成功制得具備雙極轉(zhuǎn)變特性的Ti/Si3N4/Au RRAM器件。高阻態(tài)和低阻態(tài)均滿足TC-SCLC導(dǎo)電機(jī)制。器件轉(zhuǎn)換電流低于1mA，并獲得穩(wěn)定的存儲窗口。在現(xiàn)有關(guān)于Si3N4基RRAM器件的報道中，SET/RESET轉(zhuǎn)換電壓最小，轉(zhuǎn)換功率密度小于其它文獻(xiàn)2到3個數(shù)量級。另外，嘗試通過插入A

8、l2O3薄膜，制備雙極電阻轉(zhuǎn)換Ti/Al2O3-Si3N4/Au RRAM器件，研究Al2O3-Si3N4堆棧結(jié)構(gòu)對器件性能的改變。堆棧結(jié)構(gòu)的器件低阻態(tài)導(dǎo)電機(jī)制由原來單層Si3N4器件的TC-SCLC改變?yōu)闅W姆導(dǎo)電機(jī)制。Al2O3薄膜的插入不但減小了SET/RESET轉(zhuǎn)換電壓，F(xiàn)orming電壓也有所減小，并使器件轉(zhuǎn)換電壓的一致性有所改善。Si3N4基RRAM器件的制備以及堆棧結(jié)構(gòu)器件的研究，對于提高基于氮化物薄膜的RRAM器件特性具有