發(fā)布時(shí)間：2018-06-06 23:29

  本文選題：氧化鉿 + 阻變存儲(chǔ)器　； 參考：《復(fù)旦大學(xué)》2012年碩士論文

【摘要】：隨著集成電路工藝技術(shù)結(jié)點(diǎn)的不斷縮小,不揮發(fā)存儲(chǔ)器領(lǐng)域里,占市場(chǎng)主流的傳統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器,由于其自身結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致的柵極漏電等一系列難以克服的問題,使得其應(yīng)用面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此,基于各種材料、機(jī)制以及操作方式的下一代新型非揮發(fā)存儲(chǔ)器開始進(jìn)入研究領(lǐng)域,包括鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)、相變存儲(chǔ)器(PRAM)、磁存儲(chǔ)器(MRAM)以及阻變存儲(chǔ)器(RRAM),并得到了迅速的發(fā)展。 在這些新型不揮發(fā)存儲(chǔ)器中,阻變存儲(chǔ)器被認(rèn)為是成為下一代“通用”存儲(chǔ)器的強(qiáng)有力候選者之一,因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、讀寫速度快、保持時(shí)間長(zhǎng)、存儲(chǔ)密度高、操作電壓低、非破壞性讀取、可縮小能力強(qiáng)、功耗低和與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。而在所有的具有阻變特性的材料中,又以基于過渡金屬二元氧化物的阻變存儲(chǔ)器因其成本低、成分簡(jiǎn)單、易于制備且性能穩(wěn)定,成為最有前景的一種存儲(chǔ)器。但是,有關(guān)其電阻變特性的物理機(jī)制尚不完全清楚,仍需做大量的研究工作。 本論文從基于原子層淀積工藝制備氧化鉿(HfO2)材料的阻變存儲(chǔ)器性能的電學(xué)和材料特性測(cè)試出發(fā),做了一系列的研究。首先從ALD工藝出發(fā),講了ALD工藝的原理、分類以及系統(tǒng)簡(jiǎn)介。其次,根據(jù)RCB模型對(duì)金屬氧化物材料中filaments的通斷與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系之間的模擬,提出采用薄low k/厚high k堆疊結(jié)構(gòu)來改善單一high k材料阻變存儲(chǔ)器的開關(guān)電壓的穩(wěn)定性和減小開關(guān)電壓數(shù)值。由于兩種材料介電常數(shù)不同,施加外部電壓時(shí),根據(jù)高斯定理,穿過兩層介質(zhì)的電位移矢量是連續(xù)的,使得low k介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度是high k材料中的好幾倍,從而使得RRAM器件在開關(guān)過程中filament的通斷都被控制在接近陽極的較薄的1ow K A12O3層內(nèi),而不是隨機(jī)的發(fā)生在整個(gè)阻變功能層里,從而可以改善器件的SET電壓與RESET電壓的離散性以及減小SET電壓與RESET電壓的數(shù)值,改善穩(wěn)定性和減小功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功實(shí)現(xiàn)了這一目的,并對(duì)比了當(dāng)lowk薄膜A1203材料厚度不同時(shí)的兩種情況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)low k薄膜更薄的時(shí)候,穩(wěn)定性更好,開關(guān)電壓值更小,器件的高低阻阻值窗口更大。之后,對(duì)基于氧化鉿的阻變存儲(chǔ)器,從材料特性和電學(xué)性能上做了了氧化鉿氮化與非氮化后的器件特性分析與對(duì)比,發(fā)現(xiàn)氮化后,材料特性上上,薄膜中有N元素?fù)竭M(jìn)去；電學(xué)特性上器件的阻變特性消失,分析其阻變機(jī)理是跟薄膜中的氧空位和缺陷有關(guān)的,氮化前后,電流漏電特性從空間電荷限流效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠諣枴ㄌm克效應(yīng)。 最后,對(duì)本論文的實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)RRAM的前景做出了展望。
[Abstract]:With the continuous reduction of the technical nodes of IC process, the traditional Flash memory, which dominates the market in the field of non-volatile memory, has a series of insurmountable problems such as gate leakage caused by its own structure problem. It makes its application face severe challenge. Therefore, the next generation of nonvolatile memory, which is based on various materials, mechanisms and modes of operation, has come into the research field, including ferroelectric memory (FeRAM), phase change memory (PRAM), magnetic memory (MRAM) and resistive memory (RRAM), and has been developed rapidly. Among these new types of nonvolatile memory, resistive memory is considered to be one of the most powerful candidates for the next generation of "universal" memory because of its simple structure, fast reading and writing speed, long retention time, high storage density. Low operating voltage, non-destructive reading, high power reduction, low power consumption and compatibility with traditional CMOS process. Among all the materials with resistance properties, the transition-metal binary oxide based resistive memory is the most promising memory because of its low cost, simple composition, easy preparation and stable performance. However, the physical mechanism of its resistive properties is not completely clear, and a lot of research work is needed. In this paper, a series of studies have been done on the electrical and material properties of the resistive memory based on the atomic layer deposition process for the fabrication of hafnium oxide (HfO _ 2) materials. The principle, classification and system introduction of ALD process are introduced from the point of view of ALD process. Secondly, according to the RCB model, the relationship between filaments's on-off and electric field strength in metal oxide materials is simulated. A thin low k / thick high k stack structure is proposed to improve the switching voltage stability and reduce the switching voltage value of a single high k resistive memory. Because the dielectric constants of the two materials are different, when the external voltage is applied, according to the Gao Si theorem, the electric displacement vectors passing through the two layers of dielectric are continuous, so that the electric field intensity in the low k medium is several times higher than that in the high k material. As a result, the switching of filament in RRAM devices is controlled in the thin 1ow K A12O3 layer near the anode, rather than in the whole resistive function layer. It can improve the dispersion of SET voltage and RESET voltage, reduce the value of SET voltage and RESET voltage, improve stability and reduce power consumption. The experimental results successfully achieve this goal, and compare the two cases when the thickness of lowk thin film A1203 is different. It is found that when the low k film is thinner, the stability is better, the switching voltage is smaller, and the high and low resistance window of the device is larger. After that, the characteristics of Hafnium oxide nitrided and non-nitrided devices are analyzed and compared in terms of material properties and electrical properties. It is found that after nitridation, N elements are added to the films. The electrical characteristics of the devices disappear. The resistance mechanism is related to the oxygen vacancies and defects in the films. Before and after nitriding, the current leakage characteristics change from the space charge current limiting effect to the Poor-Frank effect. Finally, the experimental work of this paper is summarized and the prospect of RRAM is prospected.
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TP333

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本文編號(hào)：1988576