阻变存储器（RRAM）器件特性与模型研究
发布时间：2024-04-24 21:01
随着通信、计算机和个人消费电子产品发展,市场对非易失性存储器的需求量越来越大,人们对存储设备的要求也越来越高。半导体工艺技术节点进入20nm,传统基于浮栅结构的闪存(Flash)的正面临严重的技术瓶颈。因此,实现更高速度、更大容量、更高集成度、更强可靠性和更低功耗的存储器来取代Flash存储器成为人们研究的热点。阻变存储器以其卓越的特性受到学术领域和工业领域的高度重视。本文针对基于ZrO2与Si3N4薄膜的阻变存储器展开研究,主要内容如下:1.论文对Ti/ZrO2/Pt RRAM器件的直流转换、阻变机制、导电机制等方面的特性进行研究。研究器件的C-V与C-F特性发现器件高阻态时表现为电容特性,低阻态表现为电感特性。通过对介电常数的计算得到实验值明显大于介质本身的值。说明器件高阻态时薄膜中存在没有与氧离子复合的氧空位,减小了薄膜的有效厚度。器件高阻态下阻抗谱Nyquist图说明RRAM器件在高阻态可以等效为电阻和电容的并联。利用电流驱动的方式使器件实现电阻转换,并使器件高低阻态的电阻具有更好的一致性,存储窗口提高将近一个数量级。对SET过程限制电流和RESET过程截止电压对阻变参数的影响...
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
1.1 非易失性存储器研究进展
1.1.1 闪存(Flash)
1.1.2 铁电存储器(FeRAM)
1.1.3 磁阻存储器(MRAM)
1.1.4 相变存储器(PCRAM)
1.1.5 阻变存储器(RRAM)
1.2 本文主要工作和安排
第二章 阻变存储器RRAM概述
2.1 RRAM器件研究进展
2.2 RRAM器件的材料体系
2.2.1 钙钛矿氧化物
2.2.2 有机材料
2.2.3 固体电解质材料
2.2.4 氮化物
2.2.5 新型纳米材料-石墨烯
2.2.6 二元金属氧化物
2.3 RRAM器件存储机理
2.3.1 界面势垒调制机制
2.3.2 细丝形成/断裂机制
2.4 RRAM器件导电机制
2.5 本章小结
第三章 基于氧化锆薄膜RRAM器件阻变特性研究
3.1 Ti/ZrO2/Pt RRAM器件阻变特性
3.1.1 器件结构及基本阻变I-V特性
3.1.2 疲劳特性和保持特性
3.1.3 电阻转变及导电机制分析
3.1.4 器件电容特性
3.1.5 电流驱动电阻转变
3.2 电学参数对器件阻变特性的影响
3.2.1 SET限制电流对阻变特性的影响
3.2.2 RESET扫描截止电压对阻变特性的影响
3.3 不同上电极器件的阻变特性
3.3.1 Pt/Zr O2/Pt RRAM器件阻变特性
3.3.2 Ni/ZrO2/Pt与Cu/ZrO2/Pt RRAM器件阻变特性
3.4 本章小结
第四章 RRAM器件温度与电应力特性研究
4.1 Ti/ZrO2/Pt RRAM器件温度特性研究
4.1.1 温度对器件初始态电阻的影响
4.1.2 温度对Forming过程的影响
4.1.3 温度对器件高/低阻态电阻的影响
4.1.4 温度对器件转换参数的影响
4.2 高温Forming对器件性能的改善
4.2.1 器件RESET电流不稳定现象
4.2.2 高温Forming改善器件性能
4.3 电应力对器件性能的影响
4.3.1 扫描电压应力
4.3.2 恒定电压应力
4.4 本章小结
第五章 基于氧空位导电的RRAM器件建模与仿真
5.1 基于氧空位导电的RRAM器件电-热耦合模型
5.1.1 早先的RRAM器件模型
5.1.2 器件的电-热耦合物理模型
5.1.3 器件 2-D轴对称有限元电-热耦合模型
5.2 器件RESET过程仿真
5.2.1 器件RESET过程I-V特性仿真
5.2.2 RESET过程不同偏置下器件特性仿真
5.3 器件SET过程仿真
5.3.1 器件SET过程I-V特性仿真
5.3.2 SET过程不同偏置下器件特性仿真
5.3.3 对电-热耦合模型的验证
5.4 影响器件阻变特性的关键因素
5.4.1 温度的影响
5.4.2 导电细丝尺寸的影响
5.4.3 电极热导率的影响
5.4.4 电极电导率的影响
5.5 本章小结
第六章 基于氮化硅薄膜RRAM器件
6.1 Si3N4-RRAM器件的制备工艺
6.1.1 Si3N4薄膜生长技术
6.1.2 Ti/Si3N4/Au RRAM器件的制备
6.2 Ti/Si3N4/Au RRAM器件的阻变特性
6.2.1 器件的电学特性
6.2.2 器件导电机制分析
6.3 Ti/Al2O3-Si3N4/Au RRAM器件的阻变特性
6.3.1 器件的制备工艺
6.3.2 器件电学特性与导电机制分析
6.4 本章小结
第七章 结束语
7.1 本文的主要结论
7.2 未来的工作展望
参考文献
致谢
作者简介
本文编号：3963499
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
1.1 非易失性存储器研究进展
1.1.1 闪存(Flash)
1.1.2 铁电存储器(FeRAM)
1.1.3 磁阻存储器(MRAM)
1.1.4 相变存储器(PCRAM)
1.1.5 阻变存储器(RRAM)
1.2 本文主要工作和安排
第二章 阻变存储器RRAM概述
2.1 RRAM器件研究进展
2.2 RRAM器件的材料体系
2.2.1 钙钛矿氧化物
2.2.2 有机材料
2.2.3 固体电解质材料
2.2.4 氮化物
2.2.5 新型纳米材料-石墨烯
2.2.6 二元金属氧化物
2.3 RRAM器件存储机理
2.3.1 界面势垒调制机制
2.3.2 细丝形成/断裂机制
2.4 RRAM器件导电机制
2.5 本章小结
第三章 基于氧化锆薄膜RRAM器件阻变特性研究
3.1 Ti/ZrO2/Pt RRAM器件阻变特性
3.1.1 器件结构及基本阻变I-V特性
3.1.2 疲劳特性和保持特性
3.1.3 电阻转变及导电机制分析
3.1.4 器件电容特性
3.1.5 电流驱动电阻转变
3.2 电学参数对器件阻变特性的影响
3.2.1 SET限制电流对阻变特性的影响
3.2.2 RESET扫描截止电压对阻变特性的影响
3.3 不同上电极器件的阻变特性
3.3.1 Pt/Zr O2/Pt RRAM器件阻变特性
3.3.2 Ni/ZrO2/Pt与Cu/ZrO2/Pt RRAM器件阻变特性
3.4 本章小结
第四章 RRAM器件温度与电应力特性研究
4.1 Ti/ZrO2/Pt RRAM器件温度特性研究
4.1.1 温度对器件初始态电阻的影响
4.1.2 温度对Forming过程的影响
4.1.3 温度对器件高/低阻态电阻的影响
4.1.4 温度对器件转换参数的影响
4.2 高温Forming对器件性能的改善
4.2.1 器件RESET电流不稳定现象
4.2.2 高温Forming改善器件性能
4.3 电应力对器件性能的影响
4.3.1 扫描电压应力
4.3.2 恒定电压应力
4.4 本章小结
第五章 基于氧空位导电的RRAM器件建模与仿真
5.1 基于氧空位导电的RRAM器件电-热耦合模型
5.1.1 早先的RRAM器件模型
5.1.2 器件的电-热耦合物理模型
5.1.3 器件 2-D轴对称有限元电-热耦合模型
5.2 器件RESET过程仿真
5.2.1 器件RESET过程I-V特性仿真
5.2.2 RESET过程不同偏置下器件特性仿真
5.3 器件SET过程仿真
5.3.1 器件SET过程I-V特性仿真
5.3.2 SET过程不同偏置下器件特性仿真
5.3.3 对电-热耦合模型的验证
5.4 影响器件阻变特性的关键因素
5.4.1 温度的影响
5.4.2 导电细丝尺寸的影响
5.4.3 电极热导率的影响
5.4.4 电极电导率的影响
5.5 本章小结
第六章 基于氮化硅薄膜RRAM器件
6.1 Si3N4-RRAM器件的制备工艺
6.1.1 Si3N4薄膜生长技术
6.1.2 Ti/Si3N4/Au RRAM器件的制备
6.2 Ti/Si3N4/Au RRAM器件的阻变特性
6.2.1 器件的电学特性
6.2.2 器件导电机制分析
6.3 Ti/Al2O3-Si3N4/Au RRAM器件的阻变特性
6.3.1 器件的制备工艺
6.3.2 器件电学特性与导电机制分析
6.4 本章小结
第七章 结束语
7.1 本文的主要结论
7.2 未来的工作展望
参考文献
致谢
作者简介
本文编号：3963499
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