GeSO阻变式存储器的特性与机理研究

摘要

随着物联网、大数据等电子信息产业的蓬勃发展以及智能手机、穿戴设备等3C产品的日新月异，非挥发式存储器在微纳电子体系中发挥着日益重要的作用。但是随着不断追随摩尔定律的脚步，传统的非挥发式存储器在制造工艺特征尺寸的微缩方面，已经面临到了物理和材料极限，在继续向更小特征尺寸发展的道路上步履维艰。在对新型存储器的研究当中，阻变式存储器以其结构简单、集成度高、读写速度快、可多比特存储等优势脱颖而出。本论文基于此背景，首次对氧硫化锗阻变材料的阻变存储器进行了系统的研究，包括器件的制作、材料表征分析、电性量测、特殊条件处理改性、特殊应用以及模型建立等方面。具体为：
　　1.采用半导体制程当中常见的热氧化、原子层沉积薄膜生长、光刻涂胶曝光、耦合式等离子干式蚀刻、湿式蚀刻、物理气相沉积溅镀薄膜等制造方法，在硅基板上制作阻变式存储器。并通过XPS材料组份分析、FTIR键接分析以及TEM器件结构分析对材料和器件结构进行表征分析。
　　2.在基本电性测量的基础上，首次在直流下通过逐渐增大扫描电压和定电压多次扫描的方式得到阻态连续改变的结果，并且在对器件进行工作可靠性测试中重要的信息状态保持时间以及器件高频操作次数测试，得到了105数量级的高频操作次数以及85℃下105秒数据保存能力。
　　3.提出了一种低温超临界流体处理方法来提高半导体器件薄膜的品质，经过超临界处理后，RRAM器件在高电阻态的漏电流降低了14倍，并且器件可靠性有所提升。器件漏电流的大幅减小意味着低温超临界流体处理可以作为一种优异的薄膜缺陷修复方法，应用在低温制程的器件当中。
　　4.本研究对器件进行交流脉冲操作，同样可以得到阻态连续切换的特性，对此器件进行生物神经突触当中著名的“尖峰时间依赖可塑性”特性的模仿，得到了相似的电性结果，这也证明了铂金/氧硫化锗/氮化钛结构的阻变式存储器可以作为电子神经突触，应用在未来仿生电路中。
　　5.针对实验当中测量得到的电性结果结合漏电传导机制电性拟合进行物理模型建立，厘清了器件当中的物理传导机制。最后对阻变式存储器作为新一代非挥发式存储器件的工业化应用进行了总结和展望。

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第一章 绪论

1.1 传统存储器的概述

1.2 新型非挥发式存储器

1.3 存储器对比总结

1.4 课题研究背景与目的

1.5 本论文工作与文章结构

第二章 实验原理综述

2.1 RRAM阻变材料

2.2 RRAM切换机理

2.3 绝缘体漏电流传导机制

2.4 神经系统构造原理简介

2.5 实验设备原理

第三章 RRAM器件制造工艺与测量分析设备

3.1 图像化下电极器件工艺流程

3.2 阻变层薄膜制备工艺及参数

3.3 材料表征与电性测量设备

3.4 低温超临界流体处理实验步骤及参数

第四章 Pt/GeSO/TiN结构RRAM器件特性研究

4.1 材料分析论证

4.2 基本电性测量

4.3 连续多阶阻态特性测量

4.4 器件工作可靠度测试

4.5 器件特殊条件处理特性对比分析

4.6 本章小结

第五章 Pt/GeSO/TiN结构RRAM仿生特性的研究

5.1 脉冲下器件阻态连续改变特性量测

5.2 尖峰时间依赖可塑性仿生特性测量

5.3 对照组Pt/GeO/TiN特性对比

5.4 本章小结

第六章 机制分析与模型建立

6.1 多阶连续阻态导电机制分析与导电模型建立

6.2 低温超临界流体处理机制分析与模型建立

6.3 器件在不同限流下机制分析与模型建立

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

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