氧化物阻变存储器多值存储与界面改性
发布时间：2020-06-23 19:16
【摘要】：近年来,随着智能手机,数码相机,平板电脑,移动存储设备等便携式电子产品的普及和不断发展,非易失性存储器市场不断扩大。基于电荷存储概念的闪存是非易失性存储器市场的主流产品。然而,闪存存储器存在编程速度慢(10肛s),耐久性差(106个周期)和高工作电压(10 V)等缺点,同时,其尺寸微缩也将逼近其物理极限,性能难以进一步提升。因此,迫切需要开发新型非易失性存储器。基于电致阻变效应的阻变存储器(RRAM),具有结构简单、材料与CMOS工艺兼容、速度快、可微缩性好、易于三维集成等优势,被认为是最有前途的下一代非易失性存储器。但是,RRAM存储器仍然还存在一些挑战,包括:阻变机制不完全清楚,多值存储难以调控,器件参数离散性大,复位电流与数据保持性能难以同时优化等。针对以上问题,本论文围绕RRAM的物理机制和性能调控两个重要问题进行了研究,具体工作如下:(1)针对RRAM的多值存储,提出了阻变功能层中掺杂金属纳米晶实现负微分电阻(NDR)效应的思路;采用离子注入方法,在Pt/Si02/Pt阻变功能层中形成了 Pt/Ag的金属纳米晶,器件表现出双向的负微分电阻特性,通过RESET截止电压的调控,实现多值存储;通过透射电子显微镜(TEM)、能量色谱仪(EDS)等物性分析方法,阐明了多值存储的物理机制是电子在金属纳米晶之间隧穿传输,调控施加电压大小使能带弯曲程度不同,隧穿通道变化,隧穿电流大小不同,实现多值存储。(2)针对RRAM的RESET电流,提出了二维材料界面改性的方法,在RRAM器件中插入多层二硫化钼(MoS2),制备了 Ag/ZrO2/MoS2/Pt器件;利用MoS2电导率较小的材料特性,实现了 SET过程中过冲电流的抑制,从而将RESET电流降低了一个数量级;利用MoS2热导率差的材料特性,实现了器件RESET过程由突变向缓变的转变,利于实现神经突触仿生功能;通过MATLAB模拟细丝生长的动态过程,发现Forming过程中,MoS2插层器件内部温度更高,导致更多Ag离子进入阻变功能层,降低了阻变层的介电特性,并且在MoS2的分压作用下,实现缓变的RESET现象。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333
【图文】：
氧化物阻变存储器多值存储与界面改性逡逑度快，存储密度高等优点，展示了强大的活力，被认为有希望成为下一代主流的逡逑非易失性存储器，引发了对其的研究热潮。图１．１为每年关于ＲＲＡＭ发表的杂逡逑志文章、会议文章、专利。逡逑■逡逑＃邋＃邋＃子、令、令、令、彳＃逡逑年份逡逑图１．１每年关于ＲＲＡＭ发表的杂志文章、会议文章、专利逡逑１．２．２阻变存储器的阻变机理逡逑阻变存储器的转变不仅取决于电极、阻变层材料，同时也与施加激励的方式逡逑有关。这导致了不同的电极、阻变层材料、施加激励的方式，其阻变机理也会不逡逑同。对ＲＲＡＭ器件的阻变机理可以大致分为电化学金属化机理（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ逡逑ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，邋￡ＣＭ）、化学价变化机理（ｖａｌｅｎｃｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，逡逑ＶＣＭ）和热化学机理（ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，邋ＴＣＭ）、静电／电子机理。卩面逡逑分别对这几种阻变机理做简单介绍。逡逑１．２．２．１电化学金属化机理逡逑电化学金属化机理，也被称为可编程金属化（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ邋ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）逡逑机理或导电桥（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ邋Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）机理。基于这种机理的ＲＲＡＭ器件，通常逡逑由一个易于电化学氧化的活性金属电极（Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ），—个不易电化学氧化的逡逑惰性金属电极（Ｐｔ、Ｗ、Ａｕ等）
氧化物阻变存储器多值存储与界面改性逡逑细丝最细，该区域的电流密度最大，产生的焦耳热最多，温度最高，加剧了氧化逡逑还原反应，使得该处的Ａｇ导电细丝最先断裂，如图１．２邋（Ｃ）所示，该过程称为逡逑复位过程。逡逑Ｄ）关断状态逦Ｂ）开启状态，逡逑ＢＢｊ逡逑Ｇｅｎ＾Ｓｅｎ？ｐ｜逦．邋，’士逡逑２Ｓ邋￣逦？｜ｉ邋？■邋ｉｒｎ＾ｃｍ邋ｍｍ逡逑ｌ：：＼Ｊ逦－－４邋－邋１逡逑Ａ邋0＇２邋0Ｖ＋邋ｏ７＾逡逑Ｕ逦ｌａ逦Ｖｏｌｔａｇｅ邋［Ｖ］逦Ａ）置位过程逡逑Ｃ）复位过程逡逑图１．２以Ａｇ／Ｇｅａ．３ＳｅＱ７／Ｐｔ器件为例，ＥＣＭ模型描述的固态电解液基ＲＲＡＭ电阻转变特性逡逑与导电细丝生长和破灭过程示意图１５１逡逑１．２．２．２化学价变化机理逡逑化学价变化机理（ｖａｌｅｎｃｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，邋ＶＣＭ）与ＥＣＭ机理不同的是，逡逑ＶＣＭ的两端电极都是惰性电极，其阻变依赖于中间介质层材料，通常为金属氧逡逑化物。阻变机理主要为在电场下，氧离子移动在氧化物中形成连接上下电极的连逡逑续氧空位通道，从而提高器件导电能力。图１．３是ＶＣＭ机理示意图，器件初始逡逑态为高阻态。当在上电极施加正电压
本文编号：2727768
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333
【图文】：
氧化物阻变存储器多值存储与界面改性逡逑度快，存储密度高等优点，展示了强大的活力，被认为有希望成为下一代主流的逡逑非易失性存储器，引发了对其的研究热潮。图１．１为每年关于ＲＲＡＭ发表的杂逡逑志文章、会议文章、专利。逡逑■逡逑＃邋＃邋＃子、令、令、令、彳＃逡逑年份逡逑图１．１每年关于ＲＲＡＭ发表的杂志文章、会议文章、专利逡逑１．２．２阻变存储器的阻变机理逡逑阻变存储器的转变不仅取决于电极、阻变层材料，同时也与施加激励的方式逡逑有关。这导致了不同的电极、阻变层材料、施加激励的方式，其阻变机理也会不逡逑同。对ＲＲＡＭ器件的阻变机理可以大致分为电化学金属化机理（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ逡逑ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，邋￡ＣＭ）、化学价变化机理（ｖａｌｅｎｃｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，逡逑ＶＣＭ）和热化学机理（ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，邋ＴＣＭ）、静电／电子机理。卩面逡逑分别对这几种阻变机理做简单介绍。逡逑１．２．２．１电化学金属化机理逡逑电化学金属化机理，也被称为可编程金属化（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ邋ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）逡逑机理或导电桥（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ邋Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）机理。基于这种机理的ＲＲＡＭ器件，通常逡逑由一个易于电化学氧化的活性金属电极（Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ），—个不易电化学氧化的逡逑惰性金属电极（Ｐｔ、Ｗ、Ａｕ等）
氧化物阻变存储器多值存储与界面改性逡逑细丝最细，该区域的电流密度最大，产生的焦耳热最多，温度最高，加剧了氧化逡逑还原反应，使得该处的Ａｇ导电细丝最先断裂，如图１．２邋（Ｃ）所示，该过程称为逡逑复位过程。逡逑Ｄ）关断状态逦Ｂ）开启状态，逡逑ＢＢｊ逡逑Ｇｅｎ＾Ｓｅｎ？ｐ｜逦．邋，’士逡逑２Ｓ邋￣逦？｜ｉ邋？■邋ｉｒｎ＾ｃｍ邋ｍｍ逡逑ｌ：：＼Ｊ逦－－４邋－邋１逡逑Ａ邋0＇２邋0Ｖ＋邋ｏ７＾逡逑Ｕ逦ｌａ逦Ｖｏｌｔａｇｅ邋［Ｖ］逦Ａ）置位过程逡逑Ｃ）复位过程逡逑图１．２以Ａｇ／Ｇｅａ．３ＳｅＱ７／Ｐｔ器件为例，ＥＣＭ模型描述的固态电解液基ＲＲＡＭ电阻转变特性逡逑与导电细丝生长和破灭过程示意图１５１逡逑１．２．２．２化学价变化机理逡逑化学价变化机理（ｖａｌｅｎｃｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，邋ＶＣＭ）与ＥＣＭ机理不同的是，逡逑ＶＣＭ的两端电极都是惰性电极，其阻变依赖于中间介质层材料，通常为金属氧逡逑化物。阻变机理主要为在电场下，氧离子移动在氧化物中形成连接上下电极的连逡逑续氧空位通道，从而提高器件导电能力。图１．３是ＶＣＭ机理示意图，器件初始逡逑态为高阻态。当在上电极施加正电压
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 王永;管伟华;龙世兵;刘明;谢常青;;阻变式存储器存储机理[J];物理;2008年12期
本文编号：2727768
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