文档介绍：安徽大学
博士学位论文
高速、高密度、低功耗的阻变非挥发性存储器研究
姓名:刘琦
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:陈军宁;刘明
2010-04
摘要
摘要
半导体器件的尺寸随着摩尔定律的不断缩小是支撑集成电路和信息技术快
速发展的原动力。但当前主流的非挥发性存储技术——基于电荷存储机制的
Flash 存储器随工艺技术代拓展遇到严重的技术瓶颈,无法满足信息技术迅速发
展对超高密度存储的要求。为了延续摩尔定律的前进脚步,许多基于其它存储概
念的新型非挥发性存储技术受到科研界和学术界的广泛关注。其中,基于薄膜材
料的可逆电致电阻效应的阻变随机存取存储器(resistive random access memory,
RRAM),因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、高速擦写和极佳的尺寸
缩小性等优势,并且其材料与当前 CMOS 工艺兼容,被认为是下一代非挥发性
存储器的最有力竞争者之一。本文围绕如何改善基于二元金属氧化物的 RRAM
器件的存储特性,开展了材料的掺杂改性、器件的结构设计和阻变机理等方面的
研究工作。
针对基于二元金属氧化物的 RRAM 在阻变性能方面存在的不足,我们提出
了采用掺杂的手段对金属氧化物材料进行改性的方法来改善其存储特性。系统地
+ +
研究了 Au/Cr/ZrO2:Zr/n -Si,Au/Cr/ZrO2:Au/n -Si,Cu/ZrO2:Ti/Pt 这三种材料结构
的阻变特性和电阻转变的物理机制,并通过材料分析手段研究了掺杂物质对二元
金属氧化物材料的影响,对掺杂元素所起的作用进行了分类和总结。这项研究结
果为如何提高阻变材料的阻变特性提供了理论上的指导。
基于固态电解液材料体系的 RRAM 是目前阻变领域内最重要的一种器件类
型。这类 RRAM 的阻变现象主要是由金属性的导电细丝的形成和破灭导致的。
虽然固态电解液类型的 RRAM 具有高速、低功耗和优秀的可缩小性等优点,但
是,由于金属性导电细丝成核和生长过程的随机性本质,导致这类 RRAM 的阻
变参数存在较大的离散性,限制了其存储性能的进一步提高。为了解决这个关键
性问题,我们提出了一种在下电极表面增加一层金属性纳米晶层的新型 RRAM
器件结构来达到控制导电细丝生长过程的目的。通过对 Ag/ZrO2/Cu NC/Pt 原型
器件的阻变性能的系统研究,验证了这种结构对阻变参数的离散性具有明显的改
善效果。通过透射电镜(transmission electron microscopy, TEM)的分析方法获得
了 Ag/ZrO2/Cu NC/Pt 器件中生长在 Cu 纳米晶上的导电细丝的 TEM 照片,直观
I
高速、高密度、低功耗的阻变非挥发性存储器研究
地证明了纳米晶层对导电细丝生长位置和方向的控制作用,并结合电场分布的模
拟结果,建立了电场控制纳米晶生长过程的物理模型。同时,通过 TEM 的材料
表征方法获得了导电细丝的微观成分,建立了导电细丝形成和破灭的微观物理模
型。
采用多值存储技术来提升下一代非挥发性存储器的存储密度是当前发展高
密度存储技术的重要途径之一。我们在纳米晶控制导电细丝生长的理论基础上,
制备了与 CMOS 工艺兼容的 Cu/ZrO2/Cu NC/Pt 结构的 RRAM 器件,并对其存储
特性进行了系统的研究。这种结构的存储器具有低操作电压、均匀的转变参数和
2 bit/cell 的多值存储能力,因此具有高密度 RRAM 的应用前景。通过采用极小
电压扫描步长的测试方法,我们获得了 Cu/ZrO2/Cu NC/Pt 结构的多台阶电阻转
变曲线。通过对这些电阻台阶的定量分析,我们认为多根细丝顺序导通是产生这
种电阻台阶现象的主要原因,并建立了多根细丝形成和破灭主导的多值存储模
型,为获得高密度 RRAM 器件提供了理论上的指导。
关键词:非挥发性存储器;电阻转变型存储器;二元金属氧化物;多值存储;导
电细丝;电化学反应
Abstract
Abstract
The scaling technology of semiconductor devices following Moore’s law is vital
to continue the advancement of semiconductor integrated circuit technology. However,
the current memory technology based on charge storage, such as flash memory, is