氧化物阻变存储器多值存储与界面改性

摘要

近年来，随着智能手机，数码相机，平板电脑，移动存储设备等便携式电子产品的普及和不断发展，非易失性存储器市场不断扩大。基于电荷存储概念的闪存是非易失性存储器市场的主流产品。然而，闪存存储器存在编程速度慢(＞10μs)，耐久性差（＜106个周期）和高工作电压(＞10V)等缺点，同时，其尺寸微缩也将逼近其物理极限，性能难以进一步提升。因此，迫切需要开发新型非易失性存储器。基于电致阻变效应的阻变存储器(RRAM)，具有结构简单、材料与CMOS工艺兼容、速度快、可微缩性好、易于三维集成等优势，被认为是最有前途的下一代非易失性存储器。但是，RRAM存储器仍然还存在一些挑战，包括:阻变机制不完全清楚，多值存储难以调控，器件参数离散性大，复位电流与数据保持性能难以同时优化等。 针对以上问题，本论文围绕RRAM的物理机制和性能调控两个重要问题进行了研究，具体工作如下: (1)针对RRAM的多值存储，提出了阻变功能层中掺杂金属纳米晶实现负微分电阻(NDR)效应的思路;采用离子注入方法，在Pt/SiO2/Pt阻变功能层中形成了Pt/Ag的金属纳米晶，器件表现出双向的负微分电阻特性，通过RESET截止电压的调控，实现多值存储;通过透射电子显微镜(TEM)、能量色谱仪(EDS)等物性分析方法，阐明了多值存储的物理机制是电子在金属纳米晶之间隧穿传输，调控施加电压大小使能带弯曲程度不同，隧穿通道变化，隧穿电流大小不同，实现多值存储。 (2)针对RRAM的RESET电流，提出了二维材料界面改性的方法，在RRAM器件中插入多层二硫化钼(MoS2)，制备了Ag/ZrO2/MoS2/Pt器件;利用MoS2电导率较小的材料特性，实现了SET过程中过冲电流的抑制，从而将RESET电流降低了一个数量级;利用MoS2热导率差的材料特性，实现了器件RESET过程由突变向缓变的转变，利于实现神经突触仿生功能;通过MATLAB模拟细丝生长的动态过程，发现Forming过程中，MoS2插层器件内部温度更高，导致更多Ag离子进入阻变功能层，降低了阻变层的介电特性，并且在MoS2的分压作用下，实现缓变的RESET现象。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2阻变存储器概述

1．2．1阻变存储器的历史与发展

1．2．2阻变存储器的阻变机理

1．2．3阻变层的材料体系

1．2．4阻变存储器的加工工艺

1．2．5阻变存储器的基本参数

1．3选题意义及研究内容

第二章阻变存储器的多值存储

2．1实现多值存储的方法

2．1．1运用多种阻变机制的耦合实现多值存储

2．1．2运用不同限制电流实现多值存储

2．1．3运用不同截止电压实现多值存储

2．1．4运用量子电导实现多值存储

2．2基于负微分电阻效应实现多值存储

2．2．2 Pt／SiO2：纳米晶颗粒／Pt器件的电学性能

2．2．3 Pt／SiO2：纳米晶颗粒／Pt器件负微分电阻效应的机理解释

2．3 本章小结

第三章基于二维MoS2插层的阻变存储器

3．1二维材料在阻变存储器中的应用

3．1．1二维材料在阻变存储器中作为电极

3．1．2二维材料在阻变存储器中作为阻变层

3．1．3二维材料在阻变存储器中作为插层

3．2基于MoS2作为插层的Ag／ZrO2／MoS2／Pt器件

3．2．1器件的制备工艺

3．2．2材料表征

3．2．3器件的电学性能

3．2．4 MoS2作为插层的工作机理解释

3．3本章小结

第四章总结与展望

4．1论文工作总结

4．2未来工作展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢