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《湖北大学》 2017年
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不同电极材料下氧化物阻变存储器性能及机理的研究

吴加吉  
【摘要】:当前主流的非挥发性存储技术以基于电荷存储机制的浮栅型闪存为主,然而Flash存储器面临着写入电压较高、擦写速度较慢、功耗较大和难以进一步微缩等难题。近年来,许多新型存储器如铁电存储器,相变存储器、磁阻存储器和阻变存储器(RRAM)等受到各界的广泛关注。其中,由于阻变存储器结构简单、高速擦写、特征尺寸小和低功耗等优势,并且与现有CMOS工艺相兼容的特点,有望成为下一代主流非易失性存储器件之一。本论文主要研究氮化钛(TiN)、钆(Gd)、氮掺杂氧化铟锡(N:ITO)三种电极材料下的氧化物阻变存储器,探求提升阻变性能的途径并阐明了优化机理,为研发存储性能优异的存储单元及其集成阵列提供了可靠的实验依据,同时,不同电极材料下的存储器机理探讨具有一定的科学价值。论文首先研究了基于TiN电极下的阻变存储器。TiN/Hf:SiO_2/Pt器件表现出稳定的双极性阻变特性,阻变窗口约为60。器件的置位电压/复位电压分布的离散系数分别为5.05%和4.78%,高阻态/低阻态电流的离散系数分别为4.18%和15.78%,由此说明器件表现出良好的阻变参数一致性。进一步通过改变置位过程中的限制电流(I_(comp))和复位过程中的截止电压(V_(stop))获得了器件多级存储特性。结合电流机制拟合分析发现,高阻态时V_(stop)电压增大使复位过程中导电细丝与TiN电极之间的肖特基势垒变高,从而电子较难跨越势垒使高阻态阻值变大;低阻态时导电细丝与电极之间形成欧姆接触,增大限制电流将使导电细丝变粗,降低了整个器件的阻值,因此低阻态阻值变小。总之,TiN在RRAM应用中被视为良好的电极材料,多级存储特性为获得高密度RRAM器件提供理论上的指导。论文进一步研究了基于稀土元素Gd电极下的Gd/Gd:SiO_2/TiN器件。研究发现导电细丝形成过程中的限制电流(Forming限流)会对Gd电极器件的高低阻态产生影响,从而调控了器件的阻变窗口。对于低阻态,低阻态的电流(I_(ON))随着Forming限流的减小反而增大。我们推断在活性Gd电极在Forming过程中会有一定程度的氧化,电极被氧化的部分相当于额外的串联电阻。减小Forming限流意味着串联阻值较小的电阻,导致I_(ON)增大;对于高阻态,高阻态电流随着Forming限流减小而减小,表现为器件的阻变窗口变大。对比基于Pt电极的Pt/Gd:SiO_2/TiN结构的器件,发现高阻态/低阻态与Forming限流无关。这项研究着重探讨了Gd电极对阻变特性的影响,为如何选择电极来调控阻变窗口提供了技术思路。论文最后研究了基于N:ITO电极的N:ITO/HfO_2/TiN阻变存储器。在纯ITO电极器件的低功耗基础上(160微瓦),通过开发新颖的低温超临界氮化技术对ITO电极进行氮掺杂,进一步将器件的操作功耗降低至120纳瓦。对比纯ITO电极的器件,氮化后器件的阻变窗口从40提升到100,且操作电流和操作电压大幅下降。其中,高阻态电流降至65 nA。另外,氮化后器件表现出高耐受性(10~7)。我们认为综合性能提升的原因在于氮元素对氧离子的聚集作用,使得氧离子聚集在导电细丝尖端附近而产生富氧区域,进而在导电细丝断裂处与电极形成肖特基势垒,使电子难以跨越而使操作电流下降。本论文研究为获得低功耗、良好稳定性好、高耐受性的阻变器件提供了可靠的实验依据。
【学位授予单位】:湖北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP333

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