基于SiO_x薄膜的阻变存储器阻变特性研究

发布时间：2017-09-17 10:18

  本文关键词：基于SiO_x薄膜的阻变存储器阻变特性研究

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【摘要】：随着科技的迅猛发展,越来越多的智能电子设备的产生使得人们对信息存储的要求越来越高,现有存储技术的缺陷日益凸显。对于传统的随机存储器,易失性成为其致命弱点,以Flash闪存为代表的非易失性存储技术,也因其可缩小程度已经到达物理极限阻碍了其进一步的发展应用。另一方面,不断减小工艺尺寸已经不能满足高密度低成本的存储要求,因此存储技术迫切需要创新。基于这些棘手的问题,一些新型非易失存储器相继出现,在这些新型非易失存储器中,阻变式存储器(RRAM) RRAM被认为是下一代存储器的强有力候选者,极有可能替代Flash及DRAM等传统存储器。因此探究其阻变机理对于进一步缩小器件尺寸及提高改善器件可靠性及产业化应用是至关重要的。本文主要研究了基于非化学计量比的SiOx(Si富余)薄膜的阻变特性。首先对TiN/SiOx/Pt结构阻变器件的直流Ⅰ-V特性进行了测量,然后通过改变测量条件分析了器件基本电特性,总结了其主要阻变机制,将微观物理机制总结为氧空位主导的导电细丝机制(即器件阻变行为是由阻变层材料SiOx发生氧化还原反应引起的)。此外,也通过拟合对器件开态和关态的导电机制进行了分析,通过拟合发现器件开态导电机制为欧姆导电,关态为肖特基发射。最后,对器件的可靠性进行了分析,包括稳定性、耐擦除特性、保持特性等,TiN/SiOx/Pt结构的阻变器件显示出良好的稳定性和疲劳特性。之后也对影响器件特性的主要因素进行了分析,包括器件单元面积、限制电流、扫描停止电压Vstop等因素对器件阻变特性的影响,实验结果显示TiN/SiOx/Pt结构阻变器件有良好可缩小性,并且可通过改变限制电流实现多值存储。虽然我们可以根据实验数据定性地分析微观物理机制,但是有关细丝生长和断裂的微观过程、细丝形貌、Reset过程细丝断裂位置、及加速氧空位迁移的因素等问题均需深入研究。因此本文也提出了一种研究双极转换的氧化物RRAM器件阻变特性的模型,即一种基于温度(焦耳热导致的温度升高)和场致离子迁移的双极型RRAM模型,模拟了器件Set和Reset过程,阻变层内部细丝形貌的变化及细丝内电场、电势、温度、氧空位浓度的分布状况等。通过仿真确认了电阻转换过程细丝断裂和复合的位置是在靠近顶电极的位置,并发现温度与电场都对离子迁移有重要的作用,从而影响阻变行为。最后结合仿真结果和实验结果证实了我们提出的阻变机制模型,即是阻变层内离子的迁移及氧化还原反应引起阻变层成分变化,调制了薄层内缺陷浓度,从而引起连续可逆的阻变行为发生。
【关键词】：阻变存储器 非易失性 RRAM SiO_x 仿真模拟
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 符号对照表12-13
• 缩略语对照表13-17
• 第一章 绪论17-23
• 1.1 研究背景17-18
• 1.2 非易失性存储器简介18-20
• 1.2.1 Flash技术简介18
• 1.2.2 新一代非易失性存储技术简介18-20
• 1.3 RRAM研究现状20-21
• 1.3.1 RRAM研究现状20-21
• 1.3.2 国内外SiOx薄膜RRAM研究现状21
• 1.4 选题意义及内容安排21-23
• 第二章 RRAM综述23-35
• 2.1 RRAM的基本结构及材料23-25
• 2.1.1 常见的阻变层材料23-24
• 2.1.2 电极材料对阻变行为的影响24-25
• 2.2 RRAM的基本工作原理及主要性能参数25-27
• 2.2.1 单极性与双极性电阻转变25
• 2.2.2 阻变存储器主要性能参数25-27
• 2.3 阻变机制总结27-29
• 2.4 RRAM常见的导电机制29-32
• 2.4.1 隧穿机制(Tunneling)29-30
• 2.4.2 法兰克福-普尔发射机制30-31
• 2.4.3 空间电荷限制电流机制31
• 2.4.4 肖特基发射(Schottky Emission)31-32
• 2.4.5 欧姆效应(Ohmic)32
• 2.5 RRAM研究遇到的挑战32-33
• 2.6 本章小结33-35
• 第三章 基于SiOx的阻变存储器阻变机理研究35-53
• 3.1 器件结构及测试方法35
• 3.2 实验结果及分析35-41
• 3.2.1 基本Ⅰ-Ⅴ特性35-37
• 3.2.2 基于SiOx的阻变存储器阻变机制分析37-41
• 3.3 器件可靠性分析41-46
• 3.3.1 一致性(Uniformity)41-43
• 3.3.2 耐受性(Endurance)43-45
• 3.3.3 保持特性(Retention)45-46
• 3.4 影响器件特性的因素分析46-52
• 3.4.1 面积依赖特性分析46-47
• 3.4.2 限制电流依赖特性分析47-49
• 3.4.3 Vstop依赖特性49-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第四章 TiN/SiOx/Pt结构阻变存储器阻变特性仿真53-61
• 4.1 仿真基本模型53-54
• 4.2 偏微分方程54-55
• 4.3 Reset/Set过程模拟55-60
• 4.3.1 Reset过程模拟55-59
• 4.3.2 Set过程模拟59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第五章 总结与展望61-65
• 5.1 总结61-62
• 5.2 今后工作展望62-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-71
• 作者简介71
• 1. 基本情况71
• 2. 教育背景71
• 3. 在学校期间的研究成果71

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本文编号：868833