金属氧化物基RRAM的阻变机理与仿真研究

发布时间：2020-08-03 12:29

【摘要】：阻变存储器是一种新型存储器件,它具有高密度、高速擦写、非易失等优良存储特性,有望突破现有存储技术的瓶颈,成为了最有潜力的下一代存储产品之一。在推进阻变存储器实用化进程中,仍然存在一些亟待解决的技术和科学问题:在选材上,如何选择集各种优秀性能于一身的阻变材料,目前还没有统一定论;在器件集成中,阻变存储器采用了十字交叉阵列(Crossbar),具有超大规模集成的优势,但Crossbar面临十分严重的漏电流问题;最后,要从根本上解决以上及其他问题,探究阻变现象内在的物理机制,因而具有十分重要的研究意义,而目前阻变机理尚不清晰。针对以上这些问题,本文着重对阻变现象的物理机理展开了研究,主要包括以下几个方面:在选材上,选取了Pt/HfO_x/TiN和Pt/TaO_x/TiN器件,它们结构简单、制备容易、性能稳定,是最常见二元金属氧化物之一,同时,这两种器件表现出优异的阻变性能,已受到众多大型半导体科技公司的广泛关注,具有巨大的潜在应用价值;在电学测试研究方面,通过电学调控手段,在典型双极性器件中实现了互补型阻变特性,在互补型阻变基础上,通过进一步电学调控,发现了寄生阻变特性,探究出多极阻变特性之间转化的电学调控规律,并对寄生阻变性能的疲劳特性、保持特性等阻变性能进行了电学表征,结果显示得到了稳定、循环特性良好的阻变性能,由此对寄生阻变提出了模型解释和理论阐释;在软件仿真方面,利用Comsol多物理场仿真软件,建立了基于氧空位导电丝的电-热耦合模型,通过设定不同极性的偏置电压,得到氧空位浓度、电势以及温度分布图,模拟出电流-电压的阻变特性,通过对比仿真结果与实验结果,得到高度类似的互补型阻变特性,因此,基于Comsol的模型仿真,对于阻变现象的解释和机理研究具有重要指导意义。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333
【图文】：

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重庆大学硕士学位论文 1 绪论1 绪论1.1 半导体存储器1.1.1 存储器基本概念及应用在上个世纪 40 年代，人们发明了世界上第一台计算机。自此，现代计算机结构依然采用冯诺依曼体系，即包括中央处理器、存储器、输入设备、输出设备和控制器。其中，存储器是计算机的记忆单元，用来存储计算机中的程序和数据，是计算机不可或缺的部分。存储器是指具有多种稳定物理状态的电子器件，通过稳定的物理状态来存储信息，比如，两种稳定的物理状态可以分别表示二进制中的“1”和“0”。

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1.1.3 非易失性存储器非易失性存储器在断电后数据依然能够保持。与易失性存储器相比，非易失性存储器耗能更低，信息存储的安全性和可靠性更高。在非易失性存储器中，闪存(Flash Memory)具有低能耗、高密度、体积小、能在线擦除等特点，因而获得了快速发展。随着智能手机、数码相机等便携式电子设备的大量普及，市场对于低能耗、高密度、体积小的非易失性存储器的需求越来越大，这使得闪存迅速在便携式存储器市场中占领了最大份额。闪存的内部存储结构如图 1.2 所示，包括衬底、控制栅极、浮置栅极、隧穿氧化层、阻挡介质层等。闪存存储原理是通过在控制栅上施加电压，来控制器件阈值电压的高低，从而进行写入和擦除操作。具体来说，如果把浮置栅极比作电子存储的“房间”，栅极电压调控注入或释放电子，可决定“房间”中电子数量：当“房间”中电子足够多，器件阈值电压升高（>Vref），器件存储的信息为“0”，即写入；当“房间”中释放电子，器件阈值电压降低（<Vref），器件存储的信息为“1”，即擦除[2]。

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图 1.3 铁电随机存储器存储原理示意图Fig.1.3 Schematic of FRAM working principleRAM 被认为有潜力成为下一代新型存储器，但是 FRAM 还存在陷，比如特征面积大、存储容量小，难以实现三维存储等。随机存储器储器是利用相变材料（如硫化物、硫化合金等），在电流焦耳热态与非晶态之间的切换，导致电阻高低变化来实现数据存储，晶态时，相变材料通常具有较高的电阻率，可用来存储“0”；在晶电阻率通常较低，可用来存储“1”，从而实现了二进制存储[11, 1出读写速度快、存储密度高、循环性能好等优点，并具有多值潜力。另外，相变材料可用作光电耦合器件，在光子应用方面]。目前，相变随机存储器在某些关键技术攻克上，比如高速读写性进展。

【参考文献】