本文關(guān)鍵詞：基于SiO_x薄膜的阻變存儲器阻變特性研究

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【摘要】：隨著科技的迅猛發(fā)展,越來越多的智能電子設(shè)備的產(chǎn)生使得人們對信息存儲的要求越來越高,現(xiàn)有存儲技術(shù)的缺陷日益凸顯。對于傳統(tǒng)的隨機(jī)存儲器,易失性成為其致命弱點,以Flash閃存為代表的非易失性存儲技術(shù),也因其可縮小程度已經(jīng)到達(dá)物理極限阻礙了其進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。另一方面,不斷減小工藝尺寸已經(jīng)不能滿足高密度低成本的存儲要求,因此存儲技術(shù)迫切需要創(chuàng)新�；谶@些棘手的問題,一些新型非易失存儲器相繼出現(xiàn),在這些新型非易失存儲器中,阻變式存儲器(RRAM) RRAM被認(rèn)為是下一代存儲器的強(qiáng)有力候選者,極有可能替代Flash及DRAM等傳統(tǒng)存儲器。因此探究其阻變機(jī)理對于進(jìn)一步縮小器件尺寸及提高改善器件可靠性及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是至關(guān)重要的。本文主要研究了基于非化學(xué)計量比的SiOx(Si富余)薄膜的阻變特性。首先對TiN/SiOx/Pt結(jié)構(gòu)阻變器件的直流Ⅰ-V特性進(jìn)行了測量,然后通過改變測量條件分析了器件基本電特性,總結(jié)了其主要阻變機(jī)制,將微觀物理機(jī)制總結(jié)為氧空位主導(dǎo)的導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)制(即器件阻變行為是由阻變層材料SiOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)引起的)。此外,也通過擬合對器件開態(tài)和關(guān)態(tài)的導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行了分析,通過擬合發(fā)現(xiàn)器件開態(tài)導(dǎo)電機(jī)制為歐姆導(dǎo)電,關(guān)態(tài)為肖特基發(fā)射。最后,對器件的可靠性進(jìn)行了分析,包括穩(wěn)定性、耐擦除特性、保持特性等,TiN/SiOx/Pt結(jié)構(gòu)的阻變器件顯示出良好的穩(wěn)定性和疲勞特性。之后也對影響器件特性的主要因素進(jìn)行了分析,包括器件單元面積、限制電流、掃描停止電壓Vstop等因素對器件阻變特性的影響,實驗結(jié)果顯示TiN/SiOx/Pt結(jié)構(gòu)阻變器件有良好可縮小性,并且可通過改變限制電流實現(xiàn)多值存儲。雖然我們可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)定性地分析微觀物理機(jī)制,但是有關(guān)細(xì)絲生長和斷裂的微觀過程、細(xì)絲形貌、Reset過程細(xì)絲斷裂位置、及加速氧空位遷移的因素等問題均需深入研究。因此本文也提出了一種研究雙極轉(zhuǎn)換的氧化物RRAM器件阻變特性的模型,即一種基于溫度(焦耳熱導(dǎo)致的溫度升高)和場致離子遷移的雙極型RRAM模型,模擬了器件Set和Reset過程,阻變層內(nèi)部細(xì)絲形貌的變化及細(xì)絲內(nèi)電場、電勢、溫度、氧空位濃度的分布狀況等。通過仿真確認(rèn)了電阻轉(zhuǎn)換過程細(xì)絲斷裂和復(fù)合的位置是在靠近頂電極的位置,并發(fā)現(xiàn)溫度與電場都對離子遷移有重要的作用,從而影響阻變行為。最后結(jié)合仿真結(jié)果和實驗結(jié)果證實了我們提出的阻變機(jī)制模型,即是阻變層內(nèi)離子的遷移及氧化還原反應(yīng)引起阻變層成分變化,調(diào)制了薄層內(nèi)缺陷濃度,從而引起連續(xù)可逆的阻變行為發(fā)生。
【關(guān)鍵詞】：阻變存儲器 非易失性 RRAM SiO_x 仿真模擬
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 符號對照表12-13
• 縮略語對照表13-17
• 第一章 緒論17-23
• 1.1 研究背景17-18
• 1.2 非易失性存儲器簡介18-20
• 1.2.1 Flash技術(shù)簡介18
• 1.2.2 新一代非易失性存儲技術(shù)簡介18-20
• 1.3 RRAM研究現(xiàn)狀20-21
• 1.3.1 RRAM研究現(xiàn)狀20-21
• 1.3.2 國內(nèi)外SiOx薄膜RRAM研究現(xiàn)狀21
• 1.4 選題意義及內(nèi)容安排21-23
• 第二章 RRAM綜述23-35
• 2.1 RRAM的基本結(jié)構(gòu)及材料23-25
• 2.1.1 常見的阻變層材料23-24
• 2.1.2 電極材料對阻變行為的影響24-25
• 2.2 RRAM的基本工作原理及主要性能參數(shù)25-27
• 2.2.1 單極性與雙極性電阻轉(zhuǎn)變25
• 2.2.2 阻變存儲器主要性能參數(shù)25-27
• 2.3 阻變機(jī)制總結(jié)27-29
• 2.4 RRAM常見的導(dǎo)電機(jī)制29-32
• 2.4.1 隧穿機(jī)制(Tunneling)29-30
• 2.4.2 法蘭克福-普爾發(fā)射機(jī)制30-31
• 2.4.3 空間電荷限制電流機(jī)制31
• 2.4.4 肖特基發(fā)射(Schottky Emission)31-32
• 2.4.5 歐姆效應(yīng)(Ohmic)32
• 2.5 RRAM研究遇到的挑戰(zhàn)32-33
• 2.6 本章小結(jié)33-35
• 第三章 基于SiOx的阻變存儲器阻變機(jī)理研究35-53
• 3.1 器件結(jié)構(gòu)及測試方法35
• 3.2 實驗結(jié)果及分析35-41
• 3.2.1 基本Ⅰ-Ⅴ特性35-37
• 3.2.2 基于SiOx的阻變存儲器阻變機(jī)制分析37-41
• 3.3 器件可靠性分析41-46
• 3.3.1 一致性(Uniformity)41-43
• 3.3.2 耐受性(Endurance)43-45
• 3.3.3 保持特性(Retention)45-46
• 3.4 影響器件特性的因素分析46-52
• 3.4.1 面積依賴特性分析46-47
• 3.4.2 限制電流依賴特性分析47-49
• 3.4.3 Vstop依賴特性49-52
• 3.5 本章小結(jié)52-53
• 第四章 TiN/SiOx/Pt結(jié)構(gòu)阻變存儲器阻變特性仿真53-61
• 4.1 仿真基本模型53-54
• 4.2 偏微分方程54-55
• 4.3 Reset/Set過程模擬55-60
• 4.3.1 Reset過程模擬55-59
• 4.3.2 Set過程模擬59-60
• 4.4 本章小結(jié)60-61
• 第五章 總結(jié)與展望61-65
• 5.1 總結(jié)61-62
• 5.2 今后工作展望62-65
• 參考文獻(xiàn)65-69
• 致謝69-71
• 作者簡介71
• 1. 基本情況71
• 2. 教育背景71
• 3. 在學(xué)校期間的研究成果71

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本文編號：868833