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基于二元金属氧化物的阻变存储器研究

作　者: 王艳
导　师: 杨建红; 刘明; 贺德衍
学　校: 兰州大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 非挥发性存储器电阻转变存储器电阻转变特性电阻转变机制空间辐射抗辐照
分类号: TP333
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,随着手机、数码相机、个人PC、平板电脑等便携式电了产品的普及,非易失性存储器的重要性日益凸显。Flash浮栅存储器是目前非易失性存储器市场上的主流器件。但是随着技术节点的不断推进,Flash浮栅存储器面临着严峻的技术挑战。为了适应未来技术对非易失性存储器的要求,多种新型存储器,如铁电存储器(FeRAM)、磁性存储器(MRAM)、相变存储器(PcRAM)以及阻变存储器(RRAM)应运而生。其中RRAM由于具有操作速度快、功耗低、结构简单、集成密度高、可缩小性好以及与CMOS技术兼容等优点引起广泛的关注。目前,在许多材料中都发现了电阻转变现象。我们的研究工作主要关注组份简单、容易生长控制、与CMOS工艺兼容的二元金属氧化物材料体系。本论文中,采用Hf02和Si02材料作为阻变层材料,制备了一系列阻变存储器件,并且针对他们的电学特性和转变机理进行研究。同时,由于具有功耗低、集成密度高的优点,阻变存储器展现出良好的空间环境应用潜力。因此我们针对阻变存储器的抗辐照特性展开研究。具体工作如下：一、制备了Cu/HfO2:Cu/Pt的器件。器件呈现出无极性的转变特点,并且表现出优良的电阻转变性能：在面积为3μm×3μm的器件中可以获得107的存储窗口,在直流操作下循环超过100次,数据可在常温下保持超过105秒。研究了器件的存储机理,通过变温测试证明Cu/HfO2:Cu/Pt器件的阻变现象是由于Cu金属细丝的形成和断裂导致的。通过在Set过程中施加不同的限制电流的方法,可以在Cu/HfO2:Cu/Pt器件中实现多值存储。二、制备了Cu/HfO2/Pt器件。Cu/HfO2/Pt器件表现出双极性的转变特点。与Cu/HfO2:Cu/Pt相比良率有所下降。三、制备了Cu/SiO2:Cu/Pt的器件。器件表现出优良的转变特性。在直流电压模式下,器件可以循环超过250次,高低阻态可以在室温下保持超过104秒。三、对所制备的Cu/SiO2:Cu/Pt和Cu/HfO2:Cu/Pt器件进行了总剂量辐照测试。测试结果显示在经过总剂量高达3.6×105rad(Si)的辐照下,器件的电学参数在辐照后性能稳定,表现出很好的抗辐照特性。为了研究辐照对器件产生影响的机制,我们测量了Hf02和Si02材料在辐照前后的C-V图线,结果表明辐照引起的俘获电荷是造成电学参数改变的主要原因。

全文目录

中文摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-25
  1.1 非易失性存储器的发展  11-18
    1.1.1 闪存(Flash)  12-13
    1.1.2 分立电荷存储器  13-14
    1.1.3 铁电存储器  14-15
    1.1.4 磁性存储器  15-16
    1.1.5 相变存储器  16-17
    1.1.6 阻变存储器  17-18
  1.2 存储器在空间中的应用  18-19
  1.3 选题意义和研究内容  19-20
  1.4 论文的组织结构  20-21
  第一章参考文献  21-25
第二章阻变存储器概述  25-45
  2.1 阻变存储器概述  25-26
  2.2 阻变存储器的材料  26-30
    2.2.1 PCMO复杂氧化物  26-27
    2.2.2 三元钙态矿氧化物  27-28
    2.2.3 有机材料  28
    2.2.4 固态电解质材料  28-30
    2.2.5 二元金属氧化物  30
  2.3 电阻转变机理  30-36
    2.3.1 缺陷能级电荷充放电  31
    2.3.2 空间电荷限制电流效应(SCLC)  31-33
    2.3.3 肖特基发射效应  33-34
    2.3.4 细丝机制  34-36
  2.4 阻变存储器电学参数  36-37
    2.4.1 操作电压  36
    2.4.2 操作电流  36
    2.4.3 电阻状态  36
    2.4.4 耐受性  36-37
    2.4.5 保持力  37
    2.4.6 操作速度  37
    2.4.7 多值存储  37
  2.5 本章小结  37-38
  第二章参考文献  38-45
第三章基于二元金属氧化物的阻变存储器  45-65
  3.1 Cu/HfO_2：Cu/Pt器件  45-57
    3.1.1 实验  45-47
    3.1.2 电学特性  47-49
    3.1.3 转变机理  49-51
    3.1.4 多值存储  51-54
    3.1.5 适应温度  54-55
    3.1.6 不同氧化层厚度的器件  55-57
  3.2 Cu/HfO_2/Pt器件  57-59
    3.2.1 实验  57
    3.2.2 结果与分析  57-59
  3.3 Cu/SiO_2：Cu/Pt器件  59-61
    3.3.1 实验  59-60
    3.3.2 结果与分析  60-61
  3.4 本章小结  61-63
  第三章参考文献  63-65
第四章空间辐照对电子器件的影响  65-83
  4.1 空间辐射环境概况  65-66
  4.2 辐照对电子器件的影响  66-70
    4.2.1 电离总剂量效应  66-69
    4.2.2 单粒子事件效应  69-70
  4.3 非易失性存储器的抗辐照特性  70-77
    4.3.1 闪存  71-72
    4.3.2 铁电存储器  72-74
    4.3.3 磁性存储器  74-75
    4.3.4 相变存储器  75-76
    4.3.5 总结  76-77
  4.4 本章小结  77-78
  第四章参考文献  78-83
第五章阻变存储器的抗辐照特性  83-101
  5.1 Cu/HfO_2：Cu/Pt器件的抗辐照性能  83-93
    5.1.1 实验  83-85
    5.1.2 电学性能的辐照响应  85-90
      5.1.2.1 操作电压  85-87
      5.1.2.2 电阻状态  87-88
      5.1.2.3 耐受力  88-89
      5.1.2.4 保持特性  89-90
      5.1.2.5 电容  90
    5.1.3 不同辐照剂量的影响  90-92
    5.1.4 辐照后的反弹  92
    5.1.5 小结  92-93
  5.2 Cu/SiO_2：Cu/Pt器件的抗辐照性能  93-96
    5.2.1 实验  93
    5.2.2 结果与讨论  93-95
    5.2.3 小结  95-96
  5.3 辐照机理的分析  96-97
    5.3.1 实验  96-97
    5.3.2 结果与分析  97
  5.4 本章小结  97-99
  第五章参考文献  99-101
第六章总结和展望  101-103
  6.1 当前工作总结  101-102
  6.2 未来工作展望  102-103
攻读学位期间发表论文、申请专利情况  103-107
致谢  107-108

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