基于氧化硅材料阻变存储器的构建及阻变机制的研究

发布时间：2017-09-27 06:06

  本文关键词：基于氧化硅材料阻变存储器的构建及阻变机制的研究

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【摘要】：伴随着信息技术的发展,数据量日益暴增,对数据的存储能力的要求日益增强,主要包括更大的存储密度,更快的擦写读速度,更低的功耗,更长的寿命,以及更低的价格等。除此以外,非挥发性(Non-volatile Memory)也是存储器未来发展的必然的方向。现在主流的非挥发性存储器Flash Memory的发展受到了其自身工作机制的限制,已经无法匹配高速发展的半导体工艺技术,导致其特征尺寸无法继续下降。因此急需开发新型的存储器。在多种新型存储器中,阻变存储器(RRAM)以其高存储密度,高速、低功耗、制造工艺简单并与CMOS工艺兼容等优点,在众多候选中脱颖而出。近十年来,阻变存储器的发展十分迅速,对多种材料的阻变现象的研究均日益深入,然而对阻变机理的研究仍不够深入彻底,这大大影响了阻变器件的进一步优化。此外,能与现有的CMOS工艺兼容是阻变存储器最终走向产业化的必不可少的一环,本论文在此背景下,重点对与CMOS工艺极其兼容的材料——氧化硅的阻变性能进行优化以及研究其阻变机理。本论文实验样品通过电子束蒸发以及磁控溅射方式制备,通过XRD,AFM等表征手段获得材料的结构及形貌特性,另一方面通过安捷伦B1500A进行电学测试,最后综合分析并建立阻变模型。首先,本论文对阻变存储器的发展进行概述并针对实验部分的意义进行探讨。实验部分从溅射功率的角度,改变不同的条件得到相应的Cu/Si O_2/Al结构,获得具有多值存储特性的阻变单元。随后从AFM等表征手段分析材料特性,从电学特性分析阻变机理,在此基础上提出导电细丝生长的阻变模型。在Set过程中由于铜导电细丝可通过限流进行控制从而获得Level1、2和3三种低阻态。其次,为了改善耐久性特性,后续实验中通过在介质层中掺杂Cu金属,获得了Forming-free、一致性好以及耐久性强的阻变器件,以及利用W金属作为阻挡层对Cu金属的注入进行控制,达到控制导电细丝形成的数量或者强度,从而达到降低过多细丝或者过坚固粗壮的细丝的形成的概率,继而降低其导致的无法Reset的几率。最后,对氧化硅本身的阻变特性也进行了研究,构建了W/Si Ox/Pt结构的阻变器件,通过对不同操作方式产生的不同阻变特性的分析,发现操作方式不同导致氧释放与聚集是造成阻变特性不同的主要原因。通过本论文相关的实验,证实了与CMOS工艺兼容的材料氧化硅具有构建阻变存储器的能力。这将有助于推进阻变存储器走向产业化,同时对阻变存储器的机制研究及其阻变模型的构建,为优化出一致性好,耐久性好的阻变存储器的研究提供了经验,对RRAM器件的性能优化以及向产业化和实际应用推进有指导和借鉴意义。
【关键词】：阻变存储器 氧化硅 铜 多值存储
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-9
• 第一章 绪论9-24
• 1.1 存储器的发展与背景9-10
• 1.2 新型非挥发性存储器10-13
• 1.2.1 铁电存储器（FRAM）10-11
• 1.2.2 磁阻存储器（MRAM）11
• 1.2.3 相变存储器（PRAM）11-12
• 1.2.4 阻变存储器（RRAM）12-13
• 1.3 阻变存储器的发展及研究现状13-14
• 1.4 阻变存储器的分类14
• 1.5 阻变存储器的阻变机理14-22
• 1.5.1 细丝模型15-19
• 1.5.2 电荷俘获模型19-20
• 1.5.3 肖特基势垒调制模型20-22
• 1.6 研究内容及研究意义22-24
• 1.6.1 研究内容22-23
• 1.6.2 研究意义23-24
• 第二章 阻变器件的制备技术及测试表征技术24-30
• 2.1 PVD薄膜沉积设备24-26
• 2.1.1 电子束蒸发设备24-25
• 2.1.2 磁控溅射设备25-26
• 2.2 测设表征设备26-30
• 2.2.1 金相显微镜26-27
• 2.2.2 X射线衍射分析仪27-28
• 2.2.3 原子力显微镜28
• 2.2.4 电学测试仪器28-30
• 第三章 基于氧化硅固态电解质铜电极阻变器件ECM特性的研究30-48
• 3.1 基于Cu/SiO_2/Al结构RRAM多值特性及机理研究30-37
• 3.1.1 器件的制备与测试方法31-32
• 3.1.2 氧化硅薄膜微观结构的表征32
• 3.1.3 Cu/SiO_2/Al结构电学特性测试结果32-34
• 3.1.4 Cu/SiO_2/Al结构阻变各阻态导电机制的研究34-36
• 3.1.5 Cu/SiO_2/Al结构阻变模型36-37
• 3.2 Cu掺杂对基于氧化硅RRAM的影响37-43
• 3.2.1 Cu掺杂量对氧化硅阻变器件的影响37-40
• 3.2.2 Cu掺杂对氧化硅器件一致性的影响40-42
• 3.2.3 Cu掺杂对氧化硅阻变存储器影响的理论模型及分析42-43
• 3.3 W阻挡层对氧化硅阻变存储器的影响43-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 基于氧化硅VCM特性的阻变机理研究及分析48-58
• 4.1 不同氧分压下氧化硅的生长速率对比48-49
• 4.2 基于W/SiOx/Pt结构阻变器件阻变机理的研究49-57
• 4.2.1 器件制备与测试方式49-50
• 4.2.2 不同极性操作方式的电学特性测试结果50-51
• 4.2.3 不同极性操作方式下的一致性对比51-52
• 4.2.4 不同极性操作方式器件传输机制的对比52-53
• 4.2.5 W/SiOx/Pt结构阻变器件的阻变机制的推测及验证53-55
• 4.2.6 W/SiOx/Pt结构阻变器件不同极性操作方式下的阻变模型55-57
• 4.3 本章小结57-58
• 第五章 总结与展望58-60
• 参考文献60-64
• 发表论文和科研情况说明64-65
• 致谢65-66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 吴晓薇;郭子政;;磁阻随机存取存储器(MRAM)的原理与研究进展[J];信息记录材料;2009年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 刘晓昱;氧基阻变存储器阻变机理和耐久性失效研究[D];山东大学;2013年

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本文编号：928021