基于二元金属氧化物的阻变存储器研究

发布时间：2017-05-22 08:41

  本文关键词：基于二元金属氧化物的阻变存储器研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着手机、数码相机、个人PC、平板电脑等便携式电了产品的普及,非易失性存储器的重要性日益凸显。Flash浮栅存储器是目前非易失性存储器市场上的主流器件。但是随着技术节点的不断推进,Flash浮栅存储器面临着严峻的技术挑战。为了适应未来技术对非易失性存储器的要求,多种新型存储器,如铁电存储器(FeRAM)、磁性存储器(MRAM)、相变存储器(PcRAM)以及阻变存储器(RRAM)应运而生。其中RRAM由于具有操作速度快、功耗低、结构简单、集成密度高、可缩小性好以及与CMOS技术兼容等优点引起广泛的关注。目前,在许多材料中都发现了电阻转变现象。我们的研究工作主要关注组份简单、容易生长控制、与CMOS工艺兼容的二元金属氧化物材料体系。本论文中,采用Hf02和Si02材料作为阻变层材料,制备了一系列阻变存储器件,并且针对他们的电学特性和转变机理进行研究。同时,由于具有功耗低、集成密度高的优点,阻变存储器展现出良好的空间环境应用潜力。因此我们针对阻变存储器的抗辐照特性展开研究。具体工作如下： 一、制备了Cu/HfO2:Cu/Pt的器件。器件呈现出无极性的转变特点,并且表现出优良的电阻转变性能：在面积为3μm×3μm的器件中可以获得107的存储窗口,在直流操作下循环超过100次,数据可在常温下保持超过105秒。研究了器件的存储机理,通过变温测试证明Cu/HfO2:Cu/Pt器件的阻变现象是由于Cu金属细丝的形成和断裂导致的。通过在Set过程中施加不同的限制电流的方法,可以在Cu/HfO2:Cu/Pt器件中实现多值存储。 二、制备了Cu/HfO2/Pt器件。Cu/HfO2/Pt器件表现出双极性的转变特点。与Cu/HfO2:Cu/Pt相比良率有所下降。 三、制备了Cu/SiO2:Cu/Pt的器件。器件表现出优良的转变特性。在直流电压模式下,器件可以循环超过250次,高低阻态可以在室温下保持超过104秒。 三、对所制备的Cu/SiO2:Cu/Pt和Cu/HfO2:Cu/Pt器件进行了总剂量辐照测试。测试结果显示在经过总剂量高达3.6×105rad(Si)的辐照下,器件的电学参数在辐照后性能稳定,表现出很好的抗辐照特性。为了研究辐照对器件产生影响的机制,我们测量了Hf02和Si02材料在辐照前后的C-V图线,结果表明辐照引起的俘获电荷是造成电学参数改变的主要原因。
【关键词】：非挥发性存储器 电阻转变存储器 电阻转变特性 电阻转变机制 空间辐射 抗辐照
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP333
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 非易失性存储器的发展11-18
• 1.1.1 闪存(Flash)12-13
• 1.1.2 分立电荷存储器13-14
• 1.1.3 铁电存储器14-15
• 1.1.4 磁性存储器15-16
• 1.1.5 相变存储器16-17
• 1.1.6 阻变存储器17-18
• 1.2 存储器在空间中的应用18-19
• 1.3 选题意义和研究内容19-20
• 1.4 论文的组织结构20-21
• 第一章 参考文献21-25
• 第二章 阻变存储器概述25-45
• 2.1 阻变存储器概述25-26
• 2.2 阻变存储器的材料26-30
• 2.2.1 PCMO复杂氧化物26-27
• 2.2.2 三元钙态矿氧化物27-28
• 2.2.3 有机材料28
• 2.2.4 固态电解质材料28-30
• 2.2.5 二元金属氧化物30
• 2.3 电阻转变机理30-36
• 2.3.1 缺陷能级电荷充放电31
• 2.3.2 空间电荷限制电流效应(SCLC)31-33
• 2.3.3 肖特基发射效应33-34
• 2.3.4 细丝机制34-36
• 2.4 阻变存储器电学参数36-37
• 2.4.1 操作电压36
• 2.4.2 操作电流36
• 2.4.3 电阻状态36
• 2.4.4 耐受性36-37
• 2.4.5 保持力37
• 2.4.6 操作速度37
• 2.4.7 多值存储37
• 2.5 本章小结37-38
• 第二章 参考文献38-45
• 第三章 基于二元金属氧化物的阻变存储器45-65
• 3.1 Cu/HfO_2：Cu/Pt器件45-57
• 3.1.1 实验45-47
• 3.1.2 电学特性47-49
• 3.1.3 转变机理49-51
• 3.1.4 多值存储51-54
• 3.1.5 适应温度54-55
• 3.1.6 不同氧化层厚度的器件55-57
• 3.2 Cu/HfO_2/Pt器件57-59
• 3.2.1 实验57
• 3.2.2 结果与分析57-59
• 3.3 Cu/SiO_2：Cu/Pt器件59-61
• 3.3.1 实验59-60
• 3.3.2 结果与分析60-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第三章 参考文献63-65
• 第四章 空间辐照对电子器件的影响65-83
• 4.1 空间辐射环境概况65-66
• 4.2 辐照对电子器件的影响66-70
• 4.2.1 电离总剂量效应66-69
• 4.2.2 单粒子事件效应69-70
• 4.3 非易失性存储器的抗辐照特性70-77
• 4.3.1 闪存71-72
• 4.3.2 铁电存储器72-74
• 4.3.3 磁性存储器74-75
• 4.3.4 相变存储器75-76
• 4.3.5 总结76-77
• 4.4 本章小结77-78
• 第四章 参考文献78-83
• 第五章 阻变存储器的抗辐照特性83-101
• 5.1 Cu/HfO_2：Cu/Pt器件的抗辐照性能83-93
• 5.1.1 实验83-85
• 5.1.2 电学性能的辐照响应85-90
• 5.1.2.1 操作电压85-87
• 5.1.2.2 电阻状态87-88
• 5.1.2.3 耐受力88-89
• 5.1.2.4 保持特性89-90
• 5.1.2.5 电容90
• 5.1.3 不同辐照剂量的影响90-92
• 5.1.4 辐照后的反弹92
• 5.1.5 小结92-93
• 5.2 Cu/SiO_2：Cu/Pt器件的抗辐照性能93-96
• 5.2.1 实验93
• 5.2.2 结果与讨论93-95
• 5.2.3 小结95-96
• 5.3 辐照机理的分析96-97
• 5.3.1 实验96-97
• 5.3.2 结果与分析97
• 5.4 本章小结97-99
• 第五章 参考文献99-101
• 第六章 总结和展望101-103
• 6.1 当前工作总结101-102
• 6.2 未来工作展望102-103
• 攻读学位期间发表论文、申请专利情况103-107
• 致谢107-108

【参考文献】

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本文编号：385119