阻变存储器阻变机理及物理模型研究

发布时间：2017-04-12 02:18

  本文关键词：阻变存储器阻变机理及物理模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着移动智能终端、云计算、大数据等新信息技术的快速发展与普及,消费市场对于非挥发性存储器的需求越来越大。Flash型非挥发性半导体存储器在目前固态存储器市场中占据主导,也是发展最迅速的存储技术。然而随着技术节点的不断提升,Flash存储器在可缩小性、功耗、存储可靠性等方面遇到的技术瓶颈也更加严峻,一些新兴存储技术的出现给未来信息科技的飞速发展带来了新的契机。其中,阻变存储器(RRAM)以其可缩小性好、操作电流低、读写速度快、阻态保持特性好等优点在过去几年受到广泛关注,被国际半导体路线图(ITRS)选为最值得优先发展的新型存储技术之一。但是,目前RRAM的阻变机理不够清晰,很大程度阻碍了RRAM器件的研究与革新。此外,RRAM器件的三维高密度阵列集成也是亟待解决的问题。本论文以阻变存储器为着手点,围绕着阻变器件的电阻转变机理以及三维集成阵列操作过程中的焦耳热效应两个重要问题进行建模研究,具体工作和所取得的创新研究成果包括：1)提出了氧空位类型阻变器件(VCM)导电通路形成的物理模型,阐明了forming时间与施加电压依赖关系背后的物理机制。其中,导电通路的形成过程由氧空位的产生和迁移作用共同决定。空位迁移速率较低的情况下,forming时间随着电压的增加指数减小,而空位迁移速率较高的情况下,forming时间与电压的依赖关系会偏离指数形式。2)在考虑金属导电细丝类型阻变存储器(ECM)体系中金属阳离子的产生、还原、吸附与输运等关键过程的基础上,建立了可以定量表征电流大小、器件内部电势分布、金属导电细丝(CF)形貌变化等阻变过程中相关物理效应的蒙特卡洛(Monte Carlo)模型。该模型可以定量讨论材料体系/制备工艺/电压施加模式等因素对电阻转变过程的影响,追踪系统中每一个离子的运动轨迹,图像化电阻转变过程中各种微观变化。在此基础上,我们对金属导电细丝生长的动态过程进行了系统研究,模拟所得到的器件Ⅰ-Ⅴ特性曲线以及导电细丝形貌变化可以与实验结果相比拟。模拟结果表明,阻变材料中不同的金属离子迁移速率可能导致不同的导电细丝生长方向和不同的细丝形貌。3)针对单个RRAM器件reset过程中的焦耳热效应开展了理论研究。研究发现导电通路的断开发生在瞬态过程,而非通常认为的热稳态；并且细丝断开的位置并不在温度最高点；此外,导电细丝中电场最高点位置会随着时间动态变化。这为之后三维集成阵列中热效应的研究奠定了基础。4)通过物理建模与数值计算,系统研究了阻变存储器三维交叉阵列(Crossbar Array)集成中的热效应。研究发现,随着阵列规模的增大,reset操作中阵列系统达到热稳态所需要的时间变长,基于热稳态温度的单个器件模型在三维集成阵列中不再适用；热串扰效应会影响阵列中被串扰RRAM器件的低阻态保持特性(Retention),甚至会导致RRAM器件存储数据的丢失(由低阻态失效到高阻态),尤其是在持续缩小器件特征尺寸的情况下,这种效应会愈发明显；小尺寸下,RRAM器件与选通器件之间的互联电极部分变为细丝状,这些互联部分的热稳定性此时不能忽略,一旦互联部分失效,无法恢复,会影响阵列的耐受性能(Endurance)。针对以上存储性能退化问题,本论文提出了相应的解决方案,并通过数值模拟计算对方案进行了验证。论文所取得的研究结果在定量表征RRAM器件工作过程中的微观变化、揭示电阻转变行为背后的物理机制、推动RRAM三维阵列集成的发展等方面具有重要的科学价值。
【关键词】：阻变存储器 物理模型 阻变机制 焦耳热效应 三维阵列集成
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 引言9-11
• 1.2 新兴非挥发性存储器11-14
• 1.2.1 铁电存储器(FRAM)11-12
• 1.2.2 磁存储器(MRAM)12-13
• 1.2.3 相变存储器(PRAM)13
• 1.2.4 阻变存储器(RRAM)13-14
• 1.3 研究意义及研究内容14-17
• 1.3.1 研究意义14-15
• 1.3.2 研究内容15-17
• 第二章 阻变存储器概述17-30
• 2.1 阻变存储器的工作原理17-18
• 2.2 阻变存储器的材料体系18-21
• 2.2.1 有机材料18
• 2.2.2 固态电解液材料18-19
• 2.2.3 多元金属氧化物19-20
• 2.2.4 二元金属氧化物20-21
• 2.3 阻变存储器的电阻转变机制21-25
• 2.3.1 界面势垒调节模型21
• 2.3.2 缺陷能级的电荷俘获与释放模型21-23
• 2.3.3 导电细丝模型23-25
• 2.4 阻变存储器的集成25-28
• 2.4.1 1T1R26
• 2.4.2 1D1R26-27
• 2.4.3 1S1R27-28
• 2.5 阻变存储器的基本参数28-29
• 2.5.1 存储窗口(Memory Window)28
• 2.5.2 操作电压(Operation Voltage)28
• 2.5.3 操作速度(Operation Speed)28-29
• 2.5.4 数据保持特性(Retention)29
• 2.5.5 耐受性(Endurance)29
• 2.5.6 可缩小性(Scalability)29
• 2.6 本章小结29-30
• 第三章 RRAM器件导电通路形成过程的研究30-43
• 3.1 VCM器件导电通路形成过程的研究30-35
• 3.1.1 物理模型介绍30-31
• 3.1.2 结果与讨论：氧空位迁移速率对forming时间的影响31-35
• 3.2 ECM器件导电细丝生长过程的蒙特卡洛模拟35-41
• 3.2.1 物理模型和模拟方法35-38
• 3.2.2 结果与讨论：直流扫描模式下CF生长过程的模拟38-39
• 3.2.3 结果与讨论：脉冲模式下CF生长过程的模拟39-40
• 3.2.4 结果与讨论：金属离子迁移速率对CF生长过程的影响40-41
• 3.3 本章小结41-43
• 第四章 阻变存储器电阻转变过程中的焦耳热效应43-63
• 4.1 ECM器件动态焦耳热效应的研究43-49
• 4.1.1 物理模型介绍43-45
• 4.1.2 结果与讨论：导电细丝形貌对瞬态温度和电场分布的影响45-47
• 4.1.3 结果与讨论：外加电压强度对瞬态效应的影响47-48
• 4.1.4 结果与讨论：一维模型与三维模型模拟结果的对比48-49
• 4.2 阻变器件三维交叉阵列集成中的焦耳热效应49-61
• 4.2.1 物理模型介绍49-51
• 4.2.2 结果与讨论：三维集成阵列中的瞬态焦耳热效应51-53
• 4.2.3 结果与讨论：编程器件位置对温度的影响53-54
• 4.2.4 结果与讨论：三维集成阵列中的热串扰54-56
• 4.2.5 结果与讨论：scaling效应下的热串扰56-58
• 4.2.6 结果与讨论：热效应对集成阵列endurance特性的影响58-61
• 4.3 本章小结61-63
• 第五章 总结和展望63-65
• 5.1 论文工作总结63-64
• 5.2 对未来研究的展望64-65
• 参考文献65-74
• 在学期间研究成果74-77
• 致谢77

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本文编号：300517