阻变存储器(RRAM)器件特性与模型研究

摘要

随着通信、计算机和个人消费电子产品发展，市场对非易失性存储器的需求量越来越大，人们对存储设备的要求也越来越高。半导体工艺技术节点进入20nm，传统基于浮栅结构的闪存（Flash）的正面临严重的技术瓶颈。因此，实现更高速度、更大容量、更高集成度、更强可靠性和更低功耗的存储器来取代Flash存储器成为人们研究的热点。阻变存储器以其卓越的特性受到学术领域和工业领域的高度重视。本文针对基于ZrO2与Si3N4薄膜的阻变存储器展开研究，主要内容如下：
　　1.论文对Ti/ZrO2/Pt RRAM器件的直流转换、阻变机制、导电机制等方面的特性进行研究。研究器件的C-V与C-F特性发现器件高阻态时表现为电容特性，低阻态表现为电感特性。通过对介电常数的计算得到实验值明显大于介质本身的值。说明器件高阻态时薄膜中存在没有与氧离子复合的氧空位，减小了薄膜的有效厚度。器件高阻态下阻抗谱Nyquist图说明RRAM器件在高阻态可以等效为电阻和电容的并联。利用电流驱动的方式使器件实现电阻转换，并使器件高低阻态的电阻具有更好的一致性，存储窗口提高将近一个数量级。对SET过程限制电流和RESET过程截止电压对阻变参数的影响进行测试分析，并分析造成影响的原因。通过控制限制电流和截止电压的大小，实现器件的多值存储应用。研究不同上电极的器件的电阻转变特性与导电机制。由于Pt的高金属功函数，实现转换的周期较少且数据离散性大，器件很容易发生硬击穿失去阻变功能。Cu、Ni为上电极的器件均为金属细丝导电，通过实验和理论分析得到Ni为上电极的器件比起Cu为上电极的器件需要更高的转换电压。
　　2.论文对Ti/ZrO2/Pt RRAM器件的温度特性进行研究。分析温度对器件电阻、Forming过程、SET/RESET电压等参数的影响。其次，针对寄生电容充放电导致器件RESET过程中电流过冲现象，提出利用高温Forming来改善器件转换性能，并抑制器件的RESET电流过冲。最后针对扫描电压应力与恒定电压应力（CVS）对器件的影响进行分析。随着扫描电压转变循环的增加，开态电流逐渐减小，关态电流逐渐增大；低阻电阻逐渐增大，高阻电阻逐渐减小，器件的开关电阻比变小；SET电压正向漂移，RESET电压负向漂移。CVS应力下器件经过多级转换实现SET和RESET过程。CVS的应力电压越大，器件实现转换所用的时间越短。另外，器件低阻态阻值越低，负向CVS转换所需时间越长。
　　3.利用COMSOL多物理场仿真软件，以2-D轴对称结构为几何载体，建立包含离子迁移模型、电传导模型和焦耳热模型在内的RRAM器件2-D轴对称有限元电-热耦合模型，模型既包含阻变层材料的电热特性，也计入了上下电极的材料特性。模型可以准确地对器件RESET/SET过程I-V特性进行模拟。通过求解一系列偏微分方程，得到器件在转换过程中器件内部各参数氧空位浓度 nD、温度 T、电势Ψ、电场E、复合率R和产生率G等参数的分布细节。在此基础上，对一些关键因素如温度、导电细丝尺寸、电极材料热导率和电导率等对器件转变过程的影响进行仿真分析，为器件机制分析和性能提高提供参考。完善的RRAM器件模型的建立对更深入地分析RRAM器件工作机理以及更好指导RRAM器件制备具有非常积极的作用。
　　4.利用PECVD淀积Si3N4薄膜，成功制得具备双极转变特性的Ti/Si3N4/Au RRAM器件。高阻态和低阻态均满足TC-SCLC导电机制。器件转换电流低于1mA，并获得稳定的存储窗口。在现有关于Si3N4基RRAM器件的报道中，SET/RESET转换电压最小，转换功率密度小于其它文献2到3个数量级。另外，尝试通过插入Al2O3薄膜，制备双极电阻转换Ti/Al2O3-Si3N4/Au RRAM器件，研究Al2O3-Si3N4堆栈结构对器件性能的改变。堆栈结构的器件低阻态导电机制由原来单层Si3N4器件的TC-SCLC改变为欧姆导电机制。Al2O3薄膜的插入不但减小了SET/RESET转换电压，Forming电压也有所减小，并使器件转换电压的一致性有所改善。Si3N4基RRAM器件的制备以及堆栈结构器件的研究，对于提高基于氮化物薄膜的RRAM器件特性具有重要的意义。

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第一章 绪论

1.1 非易失性存储器研究进展

1.2 本文主要工作和安排

第二章 阻变存储器RRAM概述

2.1 RRAM器件研究进展

2.2 RRAM器件的材料体系

2.3 RRAM器件存储机理

2.4 RRAM器件导电机制

2.5 本章小结

第三章 基于氧化锆薄膜RRAM器件阻变特性研究

3.1Ti/ZrO2/Pt RRAM器件阻变特性

3.2电学参数对器件阻变特性的影响

3.3不同上电极器件的阻变特性

3.4 本章小结

第四章 RRAM器件温度与电应力特性研究

4.1 Ti/ZrO2/Pt RRAM器件温度特性研究

4.2高温Forming对器件性能的改善

4.3电应力对器件性能的影响

4.4 本章小结

第五章 基于氧空位导电的RRAM器件建模与仿真

5.1基于氧空位导电的RRAM器件电-热耦合模型

5.2器件RESET过程仿真

5.3器件SET过程仿真

5.4影响器件阻变特性的关键因素

5.5 本章小结

第六章 基于氮化硅薄膜RRAM器件

6.1 Si3N4-RRAM器件的制备工艺

6.2 Ti/SiN/AuRRAM器件的阻变特性

6.3 Ti/Al2O3-Si3N4/Au RRAM器件的阻变特性

6.4 本章小结

第七章 结束语

7.1 本文的主要结论

7.2 未来的工作展望

参考文献

致谢

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