【摘要】： 半導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)展的原動力。但當前主流的非揮發(fā)性存儲技術(shù)——基于電荷存儲機制的Flash存儲器隨工藝技術(shù)代拓展遇到嚴重的技術(shù)瓶頸,無法滿足信息技術(shù)迅速發(fā)展對超高密度存儲的要求。為了延續(xù)摩爾定律的前進腳步,許多基于其它存儲概念的新型非揮發(fā)性存儲技術(shù)受到科研界和學術(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的阻變隨機存取存儲器(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,并且其材料與當前CMOS工藝兼容,被認為是下一代非揮發(fā)性存儲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器件的存儲特性,開展了材料的摻雜改性、器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和阻變機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行改性的方法來改善其存儲特性。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行了分類和總結(jié)。這項研究結(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。 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電細絲的形成和破滅導致的。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,但是,由于金屬性導電細絲成核和生長過程的隨機性本質(zhì),導致這類RRAM的阻變參數(shù)存在較大的離散性,限制了其存儲性能的進一步提高。為了解決這個關(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)來達到控制導電細絲生長過程的目的。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納米晶上的導電細絲的TEM照片,直觀地證明了納米晶層對導電細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,通過TEM的材料表征方法獲得了導電細絲的微觀成分,建立了導電細絲形成和破滅的微觀物理模型。 采用多值存儲技術(shù)來提升下一代非揮發(fā)性存儲器的存儲密度是當前發(fā)展高密度存儲技術(shù)的重要途徑之一。我們在納米晶控制導電細絲生長的理論基礎(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,并對其存儲特性進行了系統(tǒng)的研究。這種結(jié)構(gòu)的存儲器具有低操作電壓、均勻的轉(zhuǎn)變參數(shù)和2 bit/cell的多值存儲能力,因此具有高密度RRAM的應用前景。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)的多臺階電阻轉(zhuǎn)變曲線。通過對這些電阻臺階的定量分析,我們認為多根細絲順序?qū)ㄊ钱a(chǎn)生這種電阻臺階現(xiàn)象的主要原因,并建立了多根細絲形成和破滅主導的多值存儲模型,為獲得高密度RRAM器件提供了理論上的指導。
【學位授予單位】：安徽大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TP333
【圖文】：

Flash存儲器是基于貝爾實驗室的D.Kahng和5.M.52。在1967年提出的浮柵結(jié)構(gòu) (floatinggate)的非揮發(fā)性半導體存儲器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存儲器通過對器件的柵極、源極、漏極和襯底加適當?shù)碾妷杭�，使得器件溝道中的電子被電場拉到浮�?(noatinggate)中并存儲起來，而浮柵中所存儲的電子將導致器件閩值電壓的增加，這種狀態(tài)被用來存儲數(shù)據(jù)“O”;通過相反的電壓激勵作用，浮柵中存儲的電子可以被電場拉出浮柵，使得器件閩值電壓回復到原來狀態(tài)，這種狀態(tài)被用來存儲數(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‘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)不同的實際應用需求，F(xiàn)lash存儲器主要朝著兩個方向發(fā)展，一個是以高速、可隨機存取為訴求的代碼存儲(以NOR結(jié)構(gòu)為代表)，另一個是以大容量為訴求的文件存儲(以NAND結(jié)構(gòu)為代表)。圖1.2展示了FLAsH存儲技術(shù)的歷史演變過程141。

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

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本文編號：2752386