本文關(guān)鍵詞：阻變存儲(chǔ)器阻變機(jī)理及物理模型研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著移動(dòng)智能終端、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新信息技術(shù)的快速發(fā)展與普及,消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的需求越來(lái)越大。Flash型非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在目前固態(tài)存儲(chǔ)器市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo),也是發(fā)展最迅速的存儲(chǔ)技術(shù)。然而隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷提升,Flash存儲(chǔ)器在可縮小性、功耗、存儲(chǔ)可靠性等方面遇到的技術(shù)瓶頸也更加嚴(yán)峻,一些新興存儲(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn)給未來(lái)信息科技的飛速發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。其中,阻變存儲(chǔ)器(RRAM)以其可縮小性好、操作電流低、讀寫速度快、阻態(tài)保持特性好等優(yōu)點(diǎn)在過(guò)去幾年受到廣泛關(guān)注,被國(guó)際半導(dǎo)體路線圖(ITRS)選為最值得優(yōu)先發(fā)展的新型存儲(chǔ)技術(shù)之一。但是,目前RRAM的阻變機(jī)理不夠清晰,很大程度阻礙了RRAM器件的研究與革新。此外,RRAM器件的三維高密度陣列集成也是亟待解決的問(wèn)題。本論文以阻變存儲(chǔ)器為著手點(diǎn),圍繞著阻變器件的電阻轉(zhuǎn)變機(jī)理以及三維集成陣列操作過(guò)程中的焦耳熱效應(yīng)兩個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行建模研究,具體工作和所取得的創(chuàng)新研究成果包括：1)提出了氧空位類型阻變器件(VCM)導(dǎo)電通路形成的物理模型,闡明了forming時(shí)間與施加電壓依賴關(guān)系背后的物理機(jī)制。其中,導(dǎo)電通路的形成過(guò)程由氧空位的產(chǎn)生和遷移作用共同決定�？瘴贿w移速率較低的情況下,forming時(shí)間隨著電壓的增加指數(shù)減小,而空位遷移速率較高的情況下,forming時(shí)間與電壓的依賴關(guān)系會(huì)偏離指數(shù)形式。2)在考慮金屬導(dǎo)電細(xì)絲類型阻變存儲(chǔ)器(ECM)體系中金屬陽(yáng)離子的產(chǎn)生、還原、吸附與輸運(yùn)等關(guān)鍵過(guò)程的基礎(chǔ)上,建立了可以定量表征電流大小、器件內(nèi)部電勢(shì)分布、金屬導(dǎo)電細(xì)絲(CF)形貌變化等阻變過(guò)程中相關(guān)物理效應(yīng)的蒙特卡洛(Monte Carlo)模型。該模型可以定量討論材料體系/制備工藝/電壓施加模式等因素對(duì)電阻轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響,追蹤系統(tǒng)中每一個(gè)離子的運(yùn)動(dòng)軌跡,圖像化電阻轉(zhuǎn)變過(guò)程中各種微觀變化。在此基礎(chǔ)上,我們對(duì)金屬導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)研究,模擬所得到的器件Ⅰ-Ⅴ特性曲線以及導(dǎo)電細(xì)絲形貌變化可以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比擬。模擬結(jié)果表明,阻變材料中不同的金屬離子遷移速率可能導(dǎo)致不同的導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)方向和不同的細(xì)絲形貌。3)針對(duì)單個(gè)RRAM器件reset過(guò)程中的焦耳熱效應(yīng)開展了理論研究。研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電通路的斷開發(fā)生在瞬態(tài)過(guò)程,而非通常認(rèn)為的熱穩(wěn)態(tài)；并且細(xì)絲斷開的位置并不在溫度最高點(diǎn)；此外,導(dǎo)電細(xì)絲中電場(chǎng)最高點(diǎn)位置會(huì)隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。這為之后三維集成陣列中熱效應(yīng)的研究奠定了基礎(chǔ)。4)通過(guò)物理建模與數(shù)值計(jì)算,系統(tǒng)研究了阻變存儲(chǔ)器三維交叉陣列(Crossbar Array)集成中的熱效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),隨著陣列規(guī)模的增大,reset操作中陣列系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間變長(zhǎng),基于熱穩(wěn)態(tài)溫度的單個(gè)器件模型在三維集成陣列中不再適用；熱串?dāng)_效應(yīng)會(huì)影響陣列中被串?dāng)_RRAM器件的低阻態(tài)保持特性(Retention),甚至?xí)䦟?dǎo)致RRAM器件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失(由低阻態(tài)失效到高阻態(tài)),尤其是在持續(xù)縮小器件特征尺寸的情況下,這種效應(yīng)會(huì)愈發(fā)明顯；小尺寸下,RRAM器件與選通器件之間的互聯(lián)電極部分變?yōu)榧?xì)絲狀,這些互聯(lián)部分的熱穩(wěn)定性此時(shí)不能忽略,一旦互聯(lián)部分失效,無(wú)法恢復(fù),會(huì)影響陣列的耐受性能(Endurance)。針對(duì)以上存儲(chǔ)性能退化問(wèn)題,本論文提出了相應(yīng)的解決方案,并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。論文所取得的研究結(jié)果在定量表征RRAM器件工作過(guò)程中的微觀變化、揭示電阻轉(zhuǎn)變行為背后的物理機(jī)制、推動(dòng)RRAM三維陣列集成的發(fā)展等方面具有重要的科學(xué)價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：阻變存儲(chǔ)器 物理模型 阻變機(jī)制 焦耳熱效應(yīng) 三維陣列集成
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP333
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-17
• 1.1 引言9-11
• 1.2 新興非揮發(fā)性存儲(chǔ)器11-14
• 1.2.1 鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)11-12
• 1.2.2 磁存儲(chǔ)器(MRAM)12-13
• 1.2.3 相變存儲(chǔ)器(PRAM)13
• 1.2.4 阻變存儲(chǔ)器(RRAM)13-14
• 1.3 研究意義及研究?jī)?nèi)容14-17
• 1.3.1 研究意義14-15
• 1.3.2 研究?jī)?nèi)容15-17
• 第二章 阻變存儲(chǔ)器概述17-30
• 2.1 阻變存儲(chǔ)器的工作原理17-18
• 2.2 阻變存儲(chǔ)器的材料體系18-21
• 2.2.1 有機(jī)材料18
• 2.2.2 固態(tài)電解液材料18-19
• 2.2.3 多元金屬氧化物19-20
• 2.2.4 二元金屬氧化物20-21
• 2.3 阻變存儲(chǔ)器的電阻轉(zhuǎn)變機(jī)制21-25
• 2.3.1 界面勢(shì)壘調(diào)節(jié)模型21
• 2.3.2 缺陷能級(jí)的電荷俘獲與釋放模型21-23
• 2.3.3 導(dǎo)電細(xì)絲模型23-25
• 2.4 阻變存儲(chǔ)器的集成25-28
• 2.4.1 1T1R26
• 2.4.2 1D1R26-27
• 2.4.3 1S1R27-28
• 2.5 阻變存儲(chǔ)器的基本參數(shù)28-29
• 2.5.1 存儲(chǔ)窗口(Memory Window)28
• 2.5.2 操作電壓(Operation Voltage)28
• 2.5.3 操作速度(Operation Speed)28-29
• 2.5.4 數(shù)據(jù)保持特性(Retention)29
• 2.5.5 耐受性(Endurance)29
• 2.5.6 可縮小性(Scalability)29
• 2.6 本章小結(jié)29-30
• 第三章 RRAM器件導(dǎo)電通路形成過(guò)程的研究30-43
• 3.1 VCM器件導(dǎo)電通路形成過(guò)程的研究30-35
• 3.1.1 物理模型介紹30-31
• 3.1.2 結(jié)果與討論：氧空位遷移速率對(duì)forming時(shí)間的影響31-35
• 3.2 ECM器件導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)過(guò)程的蒙特卡洛模擬35-41
• 3.2.1 物理模型和模擬方法35-38
• 3.2.2 結(jié)果與討論：直流掃描模式下CF生長(zhǎng)過(guò)程的模擬38-39
• 3.2.3 結(jié)果與討論：脈沖模式下CF生長(zhǎng)過(guò)程的模擬39-40
• 3.2.4 結(jié)果與討論：金屬離子遷移速率對(duì)CF生長(zhǎng)過(guò)程的影響40-41
• 3.3 本章小結(jié)41-43
• 第四章 阻變存儲(chǔ)器電阻轉(zhuǎn)變過(guò)程中的焦耳熱效應(yīng)43-63
• 4.1 ECM器件動(dòng)態(tài)焦耳熱效應(yīng)的研究43-49
• 4.1.1 物理模型介紹43-45
• 4.1.2 結(jié)果與討論：導(dǎo)電細(xì)絲形貌對(duì)瞬態(tài)溫度和電場(chǎng)分布的影響45-47
• 4.1.3 結(jié)果與討論：外加電壓強(qiáng)度對(duì)瞬態(tài)效應(yīng)的影響47-48
• 4.1.4 結(jié)果與討論：一維模型與三維模型模擬結(jié)果的對(duì)比48-49
• 4.2 阻變器件三維交叉陣列集成中的焦耳熱效應(yīng)49-61
• 4.2.1 物理模型介紹49-51
• 4.2.2 結(jié)果與討論：三維集成陣列中的瞬態(tài)焦耳熱效應(yīng)51-53
• 4.2.3 結(jié)果與討論：編程器件位置對(duì)溫度的影響53-54
• 4.2.4 結(jié)果與討論：三維集成陣列中的熱串?dāng)_54-56
• 4.2.5 結(jié)果與討論：scaling效應(yīng)下的熱串?dāng)_56-58
• 4.2.6 結(jié)果與討論：熱效應(yīng)對(duì)集成陣列endurance特性的影響58-61
• 4.3 本章小結(jié)61-63
• 第五章 總結(jié)和展望63-65
• 5.1 論文工作總結(jié)63-64
• 5.2 對(duì)未來(lái)研究的展望64-65
• 參考文獻(xiàn)65-74
• 在學(xué)期間研究成果74-77
• 致謝77

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本文編號(hào)：300517