基于原子力显微技术的阻变存储器细丝形貌研究

发布时间：2020-06-25 06:57

【摘要】：人工智能,自动驾驶和语音识别等新兴智能领域的发展,极大地促进了信息存储技术的更新,同时也对存储密度和存储器速度提出了更高的要求。传统的浮栅flash型存储器因受物理尺寸极限的影响,其存储密度很难进一步提升,因此急需寻找下一代非易失性存储器。而在各种新型非易失性存储技术中,阻变存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)因其结构简单,寿命长,转变速度快,保持时间长等优点而备受科研人员的关注。在众多的阻变材料体系中,过渡金属氧化物(如氧化铪HfO_2)因其绝缘性好,稳定性高等优点被广泛地应用于器件制作,并显示出优异的阻变性能。但对基于空位细丝机制工作的HfO_2基RRAM,人们对细丝形成和演化的机制还缺乏深度认识,因而未能从细丝角度对电学操作中出现的各种现象给予全面解释。本论文工作以加深对空位细丝形成的理解为目的,结合原子力显微技术对不同电学行为下的空位细丝进行了观察和分析。具体开展了如下工作:(1)构筑了Pt/HfO_2/W结构阻变器件,获取了其在不同限制电流和扫描截止电压下的电阻态信息,并对多个电阻态做了保持时间测试,证实了其具有良好的非易失特性。此外,该结构器件在脉冲测试中表现出了快的电阻转变速度和长的循环寿命,说明了其具有良好的开关特性和循环耐受性,为后续空位细丝的观测和研究奠定了基础。(2)设计了可去除电极的Au/HfO_2/W结构阻变器件,利用导电原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscopy,CAFM)观测了Au电极下面导电的树枝状结构。与前人报道的导电通道不同,这里的树枝状结构虽具有一定的导电性,但并非全部参与阻变。分析认为,树枝状结构中局部高电导区域主导了阻变,这一结论可从低、高电阻态的细丝观测结果中得到验证。(3)针对阻变器件在激活(Forming)过程中需要大的Forming电压(V_F)这一现象,对大V_F的成因及其对器件的影响展开了探究。在对Au/HfO_2界面进行紫外臭氧处理的实验中,排除了电极生长过程中有机杂质在界面残留导致V_F变大的可能。通过对激活失败(Forming failure)下的薄膜材料进行观察与分析,认为大的V_F可产生大量的焦耳热并能加快氧离子的还原,当还原过程中生成的大量氧气冲破HfO_2和Au电极薄膜时,弹坑结构出现,器件无法被激活。如果电学操作中产生的氧气在多次循环后冲破电极,则对应于关闭失败(Reset failure)现象,此时氧离子大量缺失,空位细丝无法被复合,器件一直处于低阻态。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP333
【图文】：

的信息不能保存，主要以动态随机存储器(DRAM)为代表，常用于电脑和手机内存一类是非易失性存储器，当切断电源后，存储的信息能够长时间保存，主要以存闪存(NAND Flash)为代表， 常见于机械硬盘(HDD)和固态硬盘(SSD)。由于非易失储器具有良好的数据保持能力，常被用于存储可执行代码，校准数据和安全性能要数据，在人工智能，自动化驾驶以及航空航天等领域均有重要应用。.1.1 传统浮栅 Flash 存储器基于传统浮栅结构的 Flash 存储器的存储单元是一种电压控制型三端器件，如.1 (a)所示，它主要由控制栅(Control Gate)、浮栅(Floating Gate)、源极(Source)、漏Drain)、衬底（Substrate）、隧穿氧化层和阻挡介质层组成。通过在控制栅上施加强，将电子注入或拉出浮栅来实现器件的写入和擦除操作。如图 1.1 (b)所示，在控上施加适当电压将电子拉出浮栅，使得浮栅中无电荷存储，器件的阈值电压降低时器件的存储状态为“1”（对应曲线 A）；反之，在控制栅上施加反向电压把沟道电子拉入浮栅存储起来，使得器件的阈值电压升高，此时器件的存储状态为“0”（曲线 B）[1]。由此，根据阈值电压的高低可区分不同的信息存储状态。

性存储器易失性存储器的发展受尺寸极限的限制，伴随材料性，新型的非易失性存储器(MRAM、FRAM、PRAM、国内外的很多企业和科研机构如：三星、SK 海力士、信息技术研究所等都在新型非易失存储器领域投入了面将对这四种新型的非易失性存储器做简要介绍。器(MRAM)(MRAM)是利用磁隧道结的磁化特征来存储数据的，磁隧道结的磁化特性保持不变，具有非易失性。磁隧层和夹在两者之间的隧穿势垒层组成的[4]。电子在铁磁向与铁磁层的磁化方向相同的电子通过铁磁层时，遇反之，电子很难通过。如图 1.2 所示，当固定层和自由通过磁隧道结，表现为低阻态；而当两者方向相反时为高阻态，因此可通过改变自由层的磁化方向来调节

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