氧基阻变存储器阻变机理和耐久性失效研究

摘要

近年来，随着智能手机、平板电脑、移动存储等一系列高科技产品在人们生活中普及，非挥发性存储器扮演着越来越重要的角色。然而，随着工艺节点不断向前推进，当前主流的基于浮栅结构的非挥发性存储器Flash开始遇到严重的技术瓶颈。针对这一情况，国内外纷纷开展对下一代新型存储技术的研究。其中，阻变存储器以其速度快、功耗低、与传统CMOS工艺相兼容等特点，被认为是下一代非挥发性存储器的有力竞争者。然而，阻变存储器还存在着很多问题，诸如:阻变机理不是足够清晰，电学参数均一性不高等。
　　 本论文选择结构简单、性能相对稳定的以HfO2作阻变材料的氧基阻变存储器作为研究器件，开展关于阻变机理和耐久性失效的相关研究工作。首先，通过调整制备器件的工艺参数，以及器件阻变层和储氧层的厚度，制备得到了性能指标相对理想的氧基阻变器件，结构为W/Ti/HfO2/Pt。
　　 利用半导体参数分析仪对阻变器件的电学性能进行测试，分析了器件编程、擦除、循环操作等过程的电学性能。对1900次编程擦除循环的编程电压、编程电流进行统计学分析，推断编程过程的物理本质，得到了影响阻变过程的最直接因素是电场而不是电流的结论，电流引起的热效应并不是本研究器件主要的阻变影响因素。这为之后的阻变机理模型的提出奠定了基础。
　　 提出了电场控制下的基于氧离子Hopping理论的阻变模型，对电场作用下氧离子迁移的物理过程进行了深刻剖析。利用提出的阻变机理模型进行推导计算，得出了擦除时间和所加电场之间的关系，并进行分析。此外，还计算了温度对擦除时间和所加电场关系的影响。
　　 设计实验，利用脉冲发生器和示波器对器件的擦除时间进行测试，得到了施加不同电场下的擦除时间，并发现实验值与利用模型推导出的理论值很好地吻合，说明了所提出模型的正确性。
　　 根据氧基阻变器件的整个循环操作直至失效所表现出的电学性能特点，对器件耐久性失效情况进行了分析，提出了耐久性失效的两个原因:氧离子流失和氧化层的负向击穿。并设计对比实验，研究了退火处理对阻变存储器负向击穿电压的影响，得到了一种提高器件耐久性能的方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 基于经典浮栅结构的Flash及其发展瓶颈

1．1．2 新型非挥发性存储器

1．2 阻变存储器及其研究现状

1．3 论文选题意义

第二章 阻变存储器制备工艺及测试分析

2．1 阻变材料体系

2．1．1 固态电解质材料

2．1．2 二元金属氧化物

2．2 导电细丝主导的阻变机制

2．2．1 ECM机制

2．2．2 VCM机制

2．3 氧基阻变存储器的制备

2．4 电学性能测试及分析

2．4．1 器件的初始状态及Forming过程

2．4．2 SET过程

2．4．3 RESET过程

2．4．4 循环测试

2．4．5 器件性能指标

第三章 基于氧离子Hopping理论的阻变机理研究

3．1 电场对阻变过程的影响

3．2 电场控制下的基于氧离子Hopping理论的RESET模型建立

3．3 实验验证

3．4 温度对t-F关系的影响

第四章 RPAM器件耐久性失效机理研究

4．1 RRAM器件耐久性失效概述

4．2 基于HfO2器件的耐久性失效机理分析

4．2．1 氧离子在Ti层流失

4．2．2 器件的负向击穿

4．2．3 失效器件修复实验

4．3 器件耐久性能改善方法

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 对未来工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文