基于TiO2薄膜电阻式随机存储器电致阻变性质的研究

本论文采用溶胶凝胶法制备了TiO2薄膜,研究Pt/TiO2/Pt器件的电致阻变性质,并结合I-V特性曲线分析器件内部的阻变机制,器件高低阻态的导电机制分别为肖特基发射机制和欧姆导电机制.结果表明,Pt/TiO2/Pt器件在非易失性存储器领域具有潜在的应用.     

氧化物忆阻器材料及其阻变机理研究进展

忆阻器是目前材料和电子领域的研究前沿和热点,氧化物材料在忆阻器研究中具有重大价值。本文综述了近年来研究较多的几种典型氧化物忆阻器材料,包括TiO_2、SiO_x、HfO_x、Al_2O_3、ZnO、ZrO_2、TaOx以及ZnSnO_3等,并介绍了导电细丝机制、氧化还原机制、边界迁移机制以及相变机制等四种常见的阻变机理,展望了未来忆阻器材料研究的方向与重点。     

超薄氧化铝层的电场调制效应

研究了基于高k介质材料的阻变存储器的写入/擦除 (SET/RESET) 特性和物理机制.研究发现基于NbAlO材料的阻变存储器SET/RESET电压具有较大波动性, 通过结构优化, 在Al2O3/NbAlO/Al2O3纳米薄片堆垛结构器件中获得高度稳定性的可重复的阻变特性.基于电场调制效应, 提出了一种统一的电阻开关模型去模拟阻变存储器的SET/RESET行为, 并探讨了单层阻变薄膜的阻变存储器中由导电单元形成和湮灭的巨大随机性引起的阻变特性分布.当在NbAlO基阻变存储器中嵌入超薄Al2O3膜后, 阻变存储器的SET/RESET电压稳定性将显著提升, 其原因在于采用堆垛结构的阻变器件中各介质层中的电场重新分布并精确可控, 因此导电细丝的导通/断裂通过电场调制作用稳定均匀地在发生在具有高电场的薄缓冲层介质层中.     

基于I-V特性的阻变存储器的阻变机制研究

随着器件尺寸的缩小,阻变存储器(RRAM)具有取代现有主流Flash存储器成为下一代新型存储器的潜力。但对RRAM器件电阻转变机制的研究在认识上依然存在很大的分歧,直接制约了RRAM的研发与应用。通过介绍阻变存储器的基本工作原理、不同的阻变机制以及基于阻变存储器所表现出的不同I-V特性,研究了器件的阻变特性;详细分析了阻变存储器的五种阻变物理机制,即导电细丝(filament)、空间电荷限制电流效应(SCLC)、缺陷能级的电荷俘获和释放、肖特基发射效应(Schottky emission)以及普尔-法兰克效应(Pool-Frenkel);同时,对RRAM器件的研究发展趋势以及面临的挑战进行了展望。     

基于HfO2的RRAM中金属掺杂物的第一性原理研究

本篇文章采用了基于密度泛函理论的VASP软件对RRAM器件HfO2层中的金属掺杂物的效应进行了研究。首先根据金属掺杂物存在于HfO2晶胞中不同位置的形成能,将其分为两种类型：间隙式和替位式。通过分别计算分波电荷密度图,发现在掺有间隙式金属的HfO2中产生了若干导电细丝,而在掺有替位式金属的HfO2中未发现此现象。通过态密度与分态密度的分析发现导电细丝由间隙式金属直接产生而替位式金属不能直接产生导电细丝。然而,对于氧空位细丝机制的RRAM中,所有的金属掺杂物都会有利于氧空位细丝的产生。通过计算氧空位的形成能以及金属与氧空位的相互作用能,发现P型替位式金属掺杂物对氧空位细丝有较强的促进作用,间隙式金属掺杂物具有较小的促进作用,而类Hf型和N型替位式金属掺杂物的促进作用最弱。     

阻变存储阵列的自动化测试系统

阻变存储器(RRAM)是一种新型的不挥发存储技术,研究阻变存储器阵列规模的存储性能以及可靠性问题是推进RRAM实用化的关键.目前通用的基于微控探针台的半导体参数分析的常规测量系统无法完成对阵列的自动化测试.利用半导体参数分析仪(4200-SCS)、开关矩阵以及相关外围电路搭建了一套针对阻变存储阵列的自动测试系统,实现了1MbitRRAM芯片的初始阻态分布的读取、初始化测试、存储单元的自动化编程/擦除操作.测试结果表明,该测试系统可以实现阻变存储阵列的自动化测试,为进一步工艺参数和编程算法的优化设计奠定基础.     

低能Ar+刻蚀时间对抛光单晶LiNbO3薄膜忆阻器的影响

调节低能Ar+刻蚀对单晶LiNbO3(LN)的刻蚀时间,制备了不同LN厚度的单晶薄膜忆阻器。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和电子顺磁共振(EPR)对器件的微观形貌与表面氧空位进行了表征。通过电流-电压曲线(IV曲线)、数据保持特性(Retention)和抗疲劳特性(Endurance)的测试,探究了刻蚀时长对器件电学行为的影响。结果表明,随刻蚀时间增加,器件表面光滑均匀,氧空位浓度增加,电形成电压显著降低。同时,尽管LN薄膜厚度减小后,器件的开关比(On/Off)略有降低,但其具有更好的数据保持特性。该方法适用于对由离子注入剥离法制备的单晶薄膜进行改性,以调控其阻变特性,使之可在高密度存储、神经形态计算等领域得到应用。     

新型阻变存储器内的电压解决方案

相对于现在流行的FLASH型存储器,新型阻变存储器(resistive-RAM,RRAM)有很多优势,比如较高的存储密度和较快的读写速度。而针对RRAM的读写操作特性,提出了一种适用于新型阻变存储器的提供操作电压的电路。该方案解决了新型存储器需要外部提供高于电源电压的操作电压的问题,使得阻变存储器能应用于嵌入式设备。同时,对工艺波动和温度波动进行补偿,从而降低了阻变存储器的读写操作在较差的工艺和温度环境下的失败概率,具有很强的实际应用意义。该设计采用0.13μm标准CMOS 6层金属工艺在中芯国际(SMIC)流片实现,测试结果表明,采用此电路的RRAM能正确地进行数据编程和擦除等操作,测试结果达到设计要求。     

固态电解液阻变存储器导电细丝生长过程的模拟研究

本文对基于固态电解液的阻变存储器导电细丝的微观生长过程进行了蒙特卡洛模拟研究,模拟过程引入了多种物理和化学机制。模拟计算结果表明导电细丝形貌以及导电细丝不同的生长方向由金属离子在电解质材料中的迁移速率所决定。迁移速率较大的情况下,细丝由阴极向阳极生长;迁移速率较小的情况下细丝生长过程表现为从阳极向阴极生长。根据模拟出来的细丝形貌以及电流电压特性,我们对细丝的生长过程进行了详细讨论,模拟结果能很好地吻合实验结果。     

Au/STO/Pt三明治结构阻变存储器性质研究

采用脉冲激光沉积法(PLD)在Pt衬底(Pt/TiO2/SiO2/Si)上制备了SrTiO3(STO)薄膜,并对其表面特性,表面组成和结构进行了研究分析。在此基础上制备了具有三明治结构的Au/STO/Pt阻变器件,并测试了其I-V特性。结果显示:空间电荷限制电流(SCLC)机制对SrTiO3薄膜中氧空位的运输起了决定作用;薄膜界面缺陷对载流子的俘获与去俘获导致了SrTiO3薄膜I-V特性的产生。     

快速退火温度对Ag/SrTiO_3/p~+-Si器件阻变特性的影响

采用溶胶-凝胶结合快速退火工艺在p~+-Si基片上制备了Sr Ti O_3薄膜,构建了Ag/Sr Ti O_3/p~+-Si结构的阻变器件,研究了退火温度对薄膜微观结构、阻变特性的影响。结果表明:不同退火温度下薄膜均呈结晶态,并且随退火温度升高,薄膜晶粒有增大的趋势,当退火温度为750℃时,薄膜的衍射峰不明显并且有杂峰出现。不同退火温度下Ag/Sr Ti O_3/p~+-Si器件都具有明显的双极性阻变特性,但退火温度为850℃与900℃的器件在扫描电压达到某一值时电流会出现一个极小值;经850℃退火处理的器件具有更高的高低电阻比(103～104)。当退火温度为800℃及更高时,器件在高阻态下的导电机制以肖特基势垒发射机制为主;低阻态的电荷传导机制则遵循空间电荷限制电流机制(SCLC)。器件在200次可逆循环测试下,退火温度为850℃时表现出较好的抗疲劳特性。     

超薄氧化铝层的电场调制效应（英文）

研究了基于高k介质材料的阻变存储器的写入/擦除(SET/RESET)特性和物理机制.研究发现基于NbAlO材料的阻变存储器SET/RESET电压具有较大波动性,通过结构优化,在Al_2O_3/NbAlO/Al_2O_3纳米薄片堆垛结构器件中获得高度稳定性的可重复的阻变特性.基于电场调制效应,提出了一种统一的电阻开关模型去模拟阻变存储器的SET/RESET行为,并探讨了单层阻变薄膜的阻变存储器中由导电单元形成和湮灭的巨大随机性引起的阻变特性分布.当在NbAlO基阻变存储器中嵌入超薄Al_2O_3膜后,阻变存储器的SET/RESET电压稳定性将显著提升,其原因在于采用堆垛结构的阻变器件中各介质层中的电场重新分布并精确可控,因此导电细丝的导通/断裂通过电场调制作用稳定均匀地在发生在具有高电场的薄缓冲层介质层中.     

非晶In-Ga-Zn-O沟道薄膜晶体管存储器研究

非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)沟道薄膜晶体管存储器在先进系统面板领域具有重要的应用前景。首先阐明了a-IGZO材料在系统面板和柔性器件等应用中所具有的优势,然后对a-IGZO薄膜的制备方法及材料性能进行了归纳。最后对基于a-IGZO沟道薄膜晶体管存储器的结构、编程和擦除特性等文献报道进行了总结,重点讨论了该类存储器在通常情况下擦除效率低的原因及其改善措施。因此,对今后开发高性能a-IGZO沟道薄膜晶体管存储器具有很好的指导意义。     

Cu/TiOx/Al阻变存储器激活过程的研究

为了拓展光电器件在存储领域的应用以及更深入地了解阻变机理,研究了Cu/TiOx/Al电阻式随机存储器(RRAM)的激活(forming)过程,其中TiOx为透明薄膜。利用磁控反应溅射方法,通过改变O2分压制备出具有高折射率(在可见光区域平均值约2.23)和低消光系数(在可见光区域平均值约0.004 2)的透明TiOx薄膜。通过构建Cu/TiOx/Al三明治结构验证了透明TiOx薄膜的阻变存储特性。在阻变过程中,通过调节forming电压和电流,实现了透明TiOx薄膜的阶段性forming。对不同forming阶段的I-V拟合,进一步探索透明TiOx薄膜forming过程的电子传输方式。结果表明,随着forming的发展,透明器件的传输机理发生明显改变,由肖特基发射(SE)转变为FN隧穿,直接隧穿,到最后的欧姆传输,最终实现完整的forming。揭示了TiOx薄膜应用于可见光波段光电存储器件的可行性。     

一种基于HfO2材料的RRAM波动性模型

基于HfO₂材料制作了一种具有良好非易失性的阻变存储器(RRAM)。根据ECM导电细丝机制,建立了动态的Verilog-A模型,该模型包含了RRAM的波动特性。对模型进行直流电压扫描验证,与实际器件的电流-电压特性曲线进行拟合。验证结果表明,该模型具备RRAM器件优良的电学特性,波动特性的加入对电路的前期设计具有指导意义。对模型进行脉冲仿真,仿真结果表明高、低阻态之间的鉴别窗口大于100倍,转变时间小于30 ns。     

Bi_(1.5)Mg_(1.0)Nb_(1.5)O_7薄膜的介电损耗机理研究

采用射频磁控溅射法在Al2O3基片上沉积了铌酸铋镁(Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7,BMN)薄膜,研究了不同退火条件下BMN薄膜的介电损耗机理。结果表明,充分的退火能够减小氧空位缺陷密度,并降低介电损耗。氧气气氛下退火能够有效补偿BMN薄膜中的氧空位,使得介电损耗进一步降低。这说明氧空位导致的带电缺陷损耗是BMN薄膜材料主要的介电损耗机制。此外,BMN薄膜中也存在晶界损耗机制。     

还原时间对AlOx/WOx RRAM开关速度的调制作用

基于128 kbit AlOx/WOx双层结构阻变存储器(RRAM)芯片,提出并验证了还原时间对RRAM开关速度的调制作用,同时设计了一种固定电压幅值逐步增大脉宽的算法用于RRAM阵列中速度的测试.还原处理的时间越长,AlOx层的厚度越薄,同时氧空位的含量增多,可加快导电细丝的形成、断裂和重新连接,进而提升芯片的开关速度.测试结果表明,还原时间由10 min增加至30 min,在4V和4.5V操作电压下,FORMING速度分布的均值分别由200 ns减小至120 ns和由100 ns减小至60 ns;在4V和4.5V操作电压下,RESET速度分布的均值分别由160 ns减小至120 ns和由120 ns减小至100 ns;SET速度分布的均值在4V电压下可由120 ns减小至80 ns.此外,还原时间的增长可以改善速度分布的一致性,减小速度的波动.     

稀土元素La、Ce、Gd在忆阻器中的应用研究进展

忆阻器是最有潜力的新型非易失性存储器之一,用于忆阻器的电极和介质层的材料被工业界和学术界广泛研究。稀土元素在忆阻器中可以作为介质层材料和掺杂元素,具有广阔的应用前景。首先简述了忆阻器的基本结构、工作原理和电阻转变机制,接着以镧(La)、铈(Ce)、钆(Gd)三种在忆阻器中应用最广泛的稀土元素为例,对稀土元素在忆阻器领域中的应用优势进行了简单阐述,重点介绍了国内外研究中对于稀土元素的氧化物、稀土掺杂忆阻器、其他元素掺杂稀土元素忆阻器、钙钛矿锰氧化物等方面的应用,总结了稀土元素在忆阻器中的应用研究进展。最后对稀土元素忆阻器目前面临的问题和对应的解决方法进行了讨论,并总结展望稀土忆阻器未来的发展方向和应用前景。     

HfO_x薄膜阻变特性及机理研究

采用射频磁控溅射法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Ta/HfOx/Pt三明治结构,对其电学性能和化学成分进行了分析。结果表明,Ta/HfOx/Pt结构具有明显的双极电阻转变特性,高低阻比(ROFF/RON)约26,并且具有良好的重复性与保持性,循环次数超过了200次。通过XPS和R-T数据分析证实,电场作用下HfOx层中因氧的逸出以及铪的富集所形成的铪导电细丝的生长、断裂和再生是该器件发生电阻转变的主要机制。     

插层Al2O3对氧化铪基忆阻器的性能优化及多值特性研究

近年来,氧化铪基忆阻器因其优异的阻变性能及与CMOS工艺兼容等特点而被广泛研究。然而,氧化铪基忆阻器仍存在以下问题:1) 器件良率、可靠性、均一性不足；2) Set和Reset 过程中电流突变,导致多值特性较差。为实现氧化铪基忆阻器的性能优化及多值特性,文章在HfO₂表面生长一层1~5 nm Al₂O₃,构造Al₂O₃/HfO₂双介质层忆阻器,并对HfO₂和Al₂O₃的厚度进行优化,最终得到性能显著提升的Al₂O₃/HfO₂双介质层多值忆阻器。该器件呈现出保持性良好的10个不同电阻态(1×10⁴ s@85℃)。由于氧离子在Al₂O₃层的迁移率更低,限制了氧空位细丝生长速率及宽度,且Al₂O₃具有热增强作用,使氧空位分布更均匀,促使氧空位细丝生成/断裂过程由突变转为渐变。该工作为进一步实现氧化铪基忆阻器的性能优化及多值特性提供了参考。