【摘要】： 半導(dǎo)體器件的尺寸隨著摩爾定律的不斷縮小是支撐集成電路和信息技術(shù)快速發(fā)展的原動(dòng)力。但當(dāng)前主流的非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)——基于電荷存儲(chǔ)機(jī)制的Flash存儲(chǔ)器隨工藝技術(shù)代拓展遇到嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸,無法滿足信息技術(shù)迅速發(fā)展對超高密度存儲(chǔ)的要求。為了延續(xù)摩爾定律的前進(jìn)腳步,許多基于其它存儲(chǔ)概念的新型非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)受到科研界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。其中,基于薄膜材料的可逆電致電阻效應(yīng)的阻變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(resistive random access memory, RRAM),因其具有簡單的器件結(jié)構(gòu)、低壓低功耗操作、高速擦寫和極佳的尺寸縮小性等優(yōu)勢,并且其材料與當(dāng)前CMOS工藝兼容,被認(rèn)為是下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的最有力競爭者之一。本文圍繞如何改善基于二元金屬氧化物的RRAM器件的存儲(chǔ)特性,開展了材料的摻雜改性、器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和阻變機(jī)理等方面的研究工作。 針對基于二元金屬氧化物的RRAM在阻變性能方面存在的不足,我們提出了采用摻雜的手段對金屬氧化物材料進(jìn)行改性的方法來改善其存儲(chǔ)特性。系統(tǒng)地研究了Au/Cr/ZrO2:Zr/n+-Si, Au/Cr/ZrO2:Au/n+-Si, Cu/ZrO2:Ti/Pt這三種材料結(jié)構(gòu)的阻變特性和電阻轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制,并通過材料分析手段研究了摻雜物質(zhì)對二元金屬氧化物材料的影響,對摻雜元素所起的作用進(jìn)行了分類和總結(jié)。這項(xiàng)研究結(jié)果為如何提高阻變材料的阻變特性提供了理論上的指導(dǎo)。 基于固態(tài)電解液材料體系的RRAM是目前阻變領(lǐng)域內(nèi)最重要的一種器件類型。這類RRAM的阻變現(xiàn)象主要是由金屬性的導(dǎo)電細(xì)絲的形成和破滅導(dǎo)致的。雖然固態(tài)電解液類型的RRAM具有高速、低功耗和優(yōu)秀的可縮小性等優(yōu)點(diǎn),但是,由于金屬性導(dǎo)電細(xì)絲成核和生長過程的隨機(jī)性本質(zhì),導(dǎo)致這類RRAM的阻變參數(shù)存在較大的離散性,限制了其存儲(chǔ)性能的進(jìn)一步提高。為了解決這個(gè)關(guān)鍵性問題,我們提出了一種在下電極表面增加一層金屬性納米晶層的新型RRAM器件結(jié)構(gòu)來達(dá)到控制導(dǎo)電細(xì)絲生長過程的目的。通過對Ag/ZrO2/Cu NC/Pt原型器件的阻變性能的系統(tǒng)研究,驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)對阻變參數(shù)的離散性具有明顯的改善效果。通過透射電鏡(transmission electron microscopy, TEM)的分析方法獲得了Ag/ZrO2/Cu NC/Pt器件中生長在Cu納米晶上的導(dǎo)電細(xì)絲的TEM照片,直觀地證明了納米晶層對導(dǎo)電細(xì)絲生長位置和方向的控制作用,并結(jié)合電場分布的模擬結(jié)果,建立了電場控制納米晶生長過程的物理模型。同時(shí),通過TEM的材料表征方法獲得了導(dǎo)電細(xì)絲的微觀成分,建立了導(dǎo)電細(xì)絲形成和破滅的微觀物理模型。 采用多值存儲(chǔ)技術(shù)來提升下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度是當(dāng)前發(fā)展高密度存儲(chǔ)技術(shù)的重要途徑之一。我們在納米晶控制導(dǎo)電細(xì)絲生長的理論基礎(chǔ)上,制備了與CMOS工藝兼容的Cu/ZrO2/Cu NC/Pt結(jié)構(gòu)的RRAM器件,并對其存儲(chǔ)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。這種結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器具有低操作電壓、均勻的轉(zhuǎn)變參數(shù)和2 bit/cell的多值存儲(chǔ)能力,因此具有高密度RRAM的應(yīng)用前景。通過采用極小電壓掃描步長的測試方法,我們獲得了Cu/ZrO2/Cu NC/Pt結(jié)構(gòu)的多臺(tái)階電阻轉(zhuǎn)變曲線。通過對這些電阻臺(tái)階的定量分析,我們認(rèn)為多根細(xì)絲順序?qū)ㄊ钱a(chǎn)生這種電阻臺(tái)階現(xiàn)象的主要原因,并建立了多根細(xì)絲形成和破滅主導(dǎo)的多值存儲(chǔ)模型,為獲得高密度RRAM器件提供了理論上的指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TP333
【圖文】：

Flash存儲(chǔ)器是基于貝爾實(shí)驗(yàn)室的D.Kahng和5.M.52。在1967年提出的浮柵結(jié)構(gòu) (floatinggate)的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器121發(fā)展而來的，它由襯底、隧穿氧化層、浮柵電極、控制柵氧化層和控制柵電極組成，其結(jié)構(gòu)如圖1.1(a)所示。Flash存儲(chǔ)器通過對器件的柵極、源極、漏極和襯底加適當(dāng)?shù)碾妷杭?lì)，使得器件溝道中的電子被電場拉到浮柵 (noatinggate)中并存儲(chǔ)起來，而浮柵中所存儲(chǔ)的電子將導(dǎo)致器件閩值電壓的增加，這種狀態(tài)被用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“O”;通過相反的電壓激勵(lì)作用，浮柵中存儲(chǔ)的電子可以被電場拉出浮柵，使得器件閩值電壓回復(fù)到原來狀態(tài)，這種狀態(tài)被用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“1”，其工作原理如圖1.1偽)所示。隨后，日本東1984年提出了Flash存儲(chǔ)器的概念〔3]。Flash芝(腸shiba)公司的F.Masuoka等人在代表的是一種“逐位編程

(((a)))‘bJ‘翎‘‘1110對deeeEraseProgI’ammmm000滋deee’價(jià)‘n直直一一一’p扭扭圖1.1浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)存儲(chǔ)器及其工作原理示意圖。Fig.1.1Sehcmatieofthofloatinggatememorys如ctureandthePrinciPleofstoragedata.二十年來，根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用需求，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器主要朝著兩個(gè)方向發(fā)展，一個(gè)是以高速、可隨機(jī)存取為訴求的代碼存儲(chǔ)(以NOR結(jié)構(gòu)為代表)，另一個(gè)是以大容量為訴求的文件存儲(chǔ)(以NAND結(jié)構(gòu)為代表)。圖1.2展示了FLAsH存儲(chǔ)技術(shù)的歷史演變過程141。

同時(shí)單元尺寸的縮小還會(huì)帶來工藝漲落和隨機(jī)漲落增加等難題，因此無法滿足信息技術(shù)迅速發(fā)展對超高密度存儲(chǔ)的要求。技術(shù)界普遍預(yù)測，NOR型Flash將止步于45nln技術(shù)節(jié)點(diǎn)，而NAND型Flash也將在32nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)處達(dá)到極限尺寸l4]。為了克服傳統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)器件遇到的可縮小性難題，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都競相研發(fā)替代Flash的新型不揮發(fā)存儲(chǔ)器，其技術(shù)思路主要分為兩類ll]，如圖3所示。一類是在傳統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)型路線，期望能將現(xiàn)有的存儲(chǔ)技術(shù)推進(jìn)到32nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下，其代表性結(jié)構(gòu)為納米晶存儲(chǔ)器【5一，4】和電荷捕獲型存儲(chǔ)器11’一2z]。另一類是在Flash技術(shù)達(dá)到物理極限以后，采用完全不同的技術(shù)和新的存儲(chǔ)機(jī)理的革命型路線，其代表性器件為鐵電存儲(chǔ)器少RA人1:Ferroelectri。RandomAeeessMemO仃)123一，5]、磁存儲(chǔ)器(M衛(wèi)AM:MagnetoresistiveRandomAccessMemo叮)I，6一，01、相變存儲(chǔ)器(PeM:Phasechang。Mem。仃夕，’一，6J和阻變存儲(chǔ)器(RRAM:Rosisti、·eRandomAccessMem。叮)[3”一‘，]等。

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本文編號(hào)：2752386