氧化锡基阻变存储器研究及电荷俘获型存储器仿真模拟

摘要

随着微电子技术的飞速发展，电子设备日趋微型化。但是基于传统浮栅结构的Flash存储器却面临着严峻的考验，如漏电严重、控制栅与浮栅耦合系数下降等问题，新一代存储器件该如何发展逐渐成为焦点。目前的发展方向可以分为两个大类，一是发展全新机制的非易失性存储器，具有代表性的有铁电存储器（FeRAM）、磁存储器(MRAM)、阻变存储器(RRAM)和相变存储器(PRAM);另一种是发展基于电荷俘获的3D-NAND flash存储器，提高集成密度，以应对存储器件尺寸缩小所面临的物理极限。基于此背景，我们分别对新一代非易失性存储器的有力候选者——阻变存储器(RRAM)及电荷俘获型SONOS结构存储器展开了研究。
　　首先，氧化锡作为宽禁带氧化物半导体，具有价格低廉，稳定性好，无毒无害等优点，我们选择它作为RRAM阻变层的材料。首先用溶液法配制浓度0.1mol/L的溶胶溶液，然后在ITO衬底上旋涂成膜，经过氨气氛围、退火等处理得到氧化锡阻变层，之后热蒸发蒸镀100nm Al作为顶电极，制成了典型的“三明治”结构（结构简单也是RRAM作为存储器的一大优势）并研究了器件的阻变特性。接着，为了得到更好的器件性能，对工艺进行了一系列尝试性优化，包括:涂膜速度、氨气或氨水处理，退火温度等。除此之外，我们研究了测试方法对器件阻变性能产生的影响:一定条件下，对器件进行不同方向的Electrical Forming（电形成），器件会出现不同的性能。改变测试的限制电流(compliance current)也会对器件性能产生影响。最后，我们将器件的阻变特性与电压极性关联，发现器件特性具有对称性。基于得到的一系列结果，我们进行了阻变类型分析，认为器件阻变是由氧空位形成的导电细丝引起;并对I-V曲线进行了拟合，拟合结果表明器件导电机制符合SCLC模型（Space Charge Limited Current，空间电荷限制电流效应）。
　　接下来，我们使用Silvaco TCAD仿真软件对SONOS结构存储器进行研究。首先，由于实验上研究MOS器件是研究SONOS结构的重要途径，我们也从MOS结构入手，分别研究了介质层厚度、顶电极、衬底浓度、固定电荷、测试温度、界面缺陷等因素对MOS器件C-V特性曲线的影响，通过对比模拟和实验结果能够对实验提供一定的参考性。之后，我们使用DYNASONOS模型构建了一个标准的SONOS模型和一个使用高k材料（Al2O3）做阻挡层的结构，通过软件直观地比较了两个器件相同偏压下各介质层的场强、能带图以及写入电量随时间变化的图像，直观、形象地观察高k材料相比SiO2的优势。接着我们对使用不同厚度的Al2O3阻挡层器件进行了比对，通过写入速度、写入电量以及保持时间三个方面确定了阻挡层最佳厚度。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 RRAM器件概述

1．2．1 基本结构和常用材料

1．2．2 RRAM器件阻变模型和导电机制

1．2．3 RRAM器件类型

1．2．4 RRAM相关参数

1．3 电荷俘获型存储器概述

1．3．1 非易失性存储器的发展

1．3．2 电荷俘获型存储器工作原理与可靠性问题

1．3．3 相关参数

1．3．4 CTM器件发展方向

1．4 课题的选取

2．1 实验设备

2．1．1 旋涂仪(Spin-coating)

2．1．2 管式退火炉(Annealing furnace)

2．1．3 热蒸发设备(Thermal Evaporation)

2．1．4 半导体参数分析仪(Semiconductor Parameter Analyzer)

2．2 仿真模拟软件——Silvaco TCAD

第三章 氧化锡基阻变存储器的研究

3．1 器件制备与分析

3．1．1 衬底清洗

3．1．2 SnO2阻变层制备

3．1．3 顶电极生长

3．1．4 器件特性分析

3．2 器件制备工艺优化

3．2．1 旋涂速度对器件性能的影响

3．2．2 氨水浸泡与氨气氛围比较

3．2．3 退火温度的影响

3．2．4 测试方法对测试结果的影响

3．3 器件阻变类型的研究与机理分析

3．3．1 器件阻变极性的研究

3．3．2 器件机理分析

3．4 本章小结

第四章 电荷俘获型存储器仿真模拟

4．1 MOS电容测试

4．2 MOS结构仿真

4．3 SONOS结构仿真

4．4 本章小结

5．1 论文工作总结

5．2 未来工作的展望

参考文献

致谢