【摘要】：人工智能,自動駕駛和語音識別等新興智能領(lǐng)域的發(fā)展,極大地促進了信息存儲技術(shù)的更新,同時也對存儲密度和存儲器速度提出了更高的要求。傳統(tǒng)的浮柵flash型存儲器因受物理尺寸極限的影響,其存儲密度很難進一步提升,因此急需尋找下一代非易失性存儲器。而在各種新型非易失性存儲技術(shù)中,阻變存儲器(Resistive Random Access Memory,RRAM)因其結(jié)構(gòu)簡單,壽命長,轉(zhuǎn)變速度快,保持時間長等優(yōu)點而備受科研人員的關(guān)注。在眾多的阻變材料體系中,過渡金屬氧化物(如氧化鉿HfO_2)因其絕緣性好,穩(wěn)定性高等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用于器件制作,并顯示出優(yōu)異的阻變性能。但對基于空位細絲機制工作的HfO_2基RRAM,人們對細絲形成和演化的機制還缺乏深度認識,因而未能從細絲角度對電學(xué)操作中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象給予全面解釋。本論文工作以加深對空位細絲形成的理解為目的,結(jié)合原子力顯微技術(shù)對不同電學(xué)行為下的空位細絲進行了觀察和分析。具體開展了如下工作:(1)構(gòu)筑了Pt/HfO_2/W結(jié)構(gòu)阻變器件,獲取了其在不同限制電流和掃描截止電壓下的電阻態(tài)信息,并對多個電阻態(tài)做了保持時間測試,證實了其具有良好的非易失特性。此外,該結(jié)構(gòu)器件在脈沖測試中表現(xiàn)出了快的電阻轉(zhuǎn)變速度和長的循環(huán)壽命,說明了其具有良好的開關(guān)特性和循環(huán)耐受性,為后續(xù)空位細絲的觀測和研究奠定了基礎(chǔ)。(2)設(shè)計了可去除電極的Au/HfO_2/W結(jié)構(gòu)阻變器件,利用導(dǎo)電原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy,CAFM)觀測了Au電極下面導(dǎo)電的樹枝狀結(jié)構(gòu)。與前人報道的導(dǎo)電通道不同,這里的樹枝狀結(jié)構(gòu)雖具有一定的導(dǎo)電性,但并非全部參與阻變。分析認為,樹枝狀結(jié)構(gòu)中局部高電導(dǎo)區(qū)域主導(dǎo)了阻變,這一結(jié)論可從低、高電阻態(tài)的細絲觀測結(jié)果中得到驗證。(3)針對阻變器件在激活(Forming)過程中需要大的Forming電壓(V_F)這一現(xiàn)象,對大V_F的成因及其對器件的影響展開了探究。在對Au/HfO_2界面進行紫外臭氧處理的實驗中,排除了電極生長過程中有機雜質(zhì)在界面殘留導(dǎo)致V_F變大的可能。通過對激活失敗(Forming failure)下的薄膜材料進行觀察與分析,認為大的V_F可產(chǎn)生大量的焦耳熱并能加快氧離子的還原,當(dāng)還原過程中生成的大量氧氣沖破HfO_2和Au電極薄膜時,彈坑結(jié)構(gòu)出現(xiàn),器件無法被激活。如果電學(xué)操作中產(chǎn)生的氧氣在多次循環(huán)后沖破電極,則對應(yīng)于關(guān)閉失敗(Reset failure)現(xiàn)象,此時氧離子大量缺失,空位細絲無法被復(fù)合,器件一直處于低阻態(tài)。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP333
【圖文】：

的信息不能保存，主要以動態(tài)隨機存儲器(DRAM)為代表，常用于電腦和手機內(nèi)存一類是非易失性存儲器，當(dāng)切斷電源后，存儲的信息能夠長時間保存，主要以存閃存(NAND Flash)為代表， 常見于機械硬盤(HDD)和固態(tài)硬盤(SSD)。由于非易失儲器具有良好的數(shù)據(jù)保持能力，常被用于存儲可執(zhí)行代碼，校準數(shù)據(jù)和安全性能要數(shù)據(jù)，在人工智能，自動化駕駛以及航空航天等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。.1.1 傳統(tǒng)浮柵 Flash 存儲器基于傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的 Flash 存儲器的存儲單元是一種電壓控制型三端器件，如.1 (a)所示，它主要由控制柵(Control Gate)、浮柵(Floating Gate)、源極(Source)、漏Drain)、襯底（Substrate）、隧穿氧化層和阻擋介質(zhì)層組成。通過在控制柵上施加強，將電子注入或拉出浮柵來實現(xiàn)器件的寫入和擦除操作。如圖 1.1 (b)所示，在控上施加適當(dāng)電壓將電子拉出浮柵，使得浮柵中無電荷存儲，器件的閾值電壓降低時器件的存儲狀態(tài)為“1”（對應(yīng)曲線 A）；反之，在控制柵上施加反向電壓把溝道電子拉入浮柵存儲起來，使得器件的閾值電壓升高，此時器件的存儲狀態(tài)為“0”（曲線 B）[1]。由此，根據(jù)閾值電壓的高低可區(qū)分不同的信息存儲狀態(tài)。

性存儲器易失性存儲器的發(fā)展受尺寸極限的限制，伴隨材料性，新型的非易失性存儲器(MRAM、FRAM、PRAM、國內(nèi)外的很多企業(yè)和科研機構(gòu)如：三星、SK 海力士、信息技術(shù)研究所等都在新型非易失存儲器領(lǐng)域投入了面將對這四種新型的非易失性存儲器做簡要介紹。器(MRAM)(MRAM)是利用磁隧道結(jié)的磁化特征來存儲數(shù)據(jù)的，磁隧道結(jié)的磁化特性保持不變，具有非易失性。磁隧層和夾在兩者之間的隧穿勢壘層組成的[4]。電子在鐵磁向與鐵磁層的磁化方向相同的電子通過鐵磁層時，遇反之，電子很難通過。如圖 1.2 所示，當(dāng)固定層和自由通過磁隧道結(jié)，表現(xiàn)為低阻態(tài)；而當(dāng)兩者方向相反時為高阻態(tài)，因此可通過改變自由層的磁化方向來調(diào)節(jié)

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