基于zno薄膜阻变存储器的构建及性能的研究

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1、第一章绪论1．1引言在当前这个科技飞速发展的信息时代，电子产品己经深入人们的日常生活。无论是办公、娱乐还是出行、购物，电子产品己悄然融入到我们生活的各个领域，且越来越密不可分。从U盘、SD卡到手机、相机、MP3再到巨型工作站，每一个电子产品都需要存储数据，每个行业都需要大量的数据作为支撑，存储器已经成为电子行业不可忽视的一部分。存储器最初是计算机系统存储数据的部件，如动态随机存储器(DRAM)，静态随机存储器(SRAM)、闪存(Flash)等等【l】。其中，Flash作为非挥发性存储器的重要组成部分，在市场中占有很大的比重

2、。非挥发存储器(NⅥⅥ)主要指在外加电源被切断后数据不会丢失的存储器，不同于DRAM和SRAM，NVM保存数据不需要一直保持有外加电压。因此有更大的实用空间，在市场上也发展的更快【2J。Flash是NVM中的领军者，但是近几年来却暴露了越来越多的问题。现阶段Flash的读写速度以及尺寸已不能完全满足市场的需求，为了达到更快的读写速度、更低的耗能、更大的高低阻值比、与半导体工艺兼容性更好的目的，市场迫切需要研究新型的NVM[¨J。所以新型的NVM吸引了大量的研究，并且取得了不错的进展，其中较成功的有相变存储器(PRAM)和阻

3、变存储器(RRAM)，已经有试验品面世，未来可能正式投放市场，而于铁电存储器(FeRAM)禾N磁阻存储器(MRAM)的研究也积累了大量经验。其中阻变存储器有很多优势，相比与相变和铁电存储器，RRAM阻态转换所需能量要小得多，直观结果即为更低的功耗。相比于磁阻存储器，RRAM结构简单，与CMOS兼容性更好。再加上读写速度快、操作电压低等各种优势，使得RRAM得到了极大的关注【5J。但是，到目前为止，其导电机理一直众说纷纭，还没有得到明确定论【6‘。7l。作为NVM之一的Flash存储器有着很典型的外观结构，其储存机理一般是通

4、过控制浮栅层对电荷的存储来实现的。主要结构从下到上可以概括为衬底、隧穿氧化层、浮栅氧化层、控制栅氧化层、控制栅电极，在Flash器件中主要利用在控制栅极施加电压影响浮栅氧化层中电荷的状况来来调节MOS管的阈值特性，从而实现数据的存储【8】。图1．1为一个Flash的基本结构。目前，Flash存储器技术已经相当成熟，但是随着特征尺寸的不断减小，浮栅氧化层面临着厚度不能无限较小的问题。所以随着半导体工艺的快速发展，这种依靠浮栅层存储电荷的存储器，将不得不面临的电荷泄漏与特征尺寸减小之间的矛盾越来越突出的问题，势必会严重的影响了

5、闪存的进一步发展，最终也会影响闪存器件的稳定性和可靠性。另一方面，如果集成度不能提高，影响的将是整个芯片或系统的集成度和稳定性，而且会提高成本，因此现阶段Flash面临的问题已经成为严重制约其发展的瓶颈。为了降低生产成本，为了避免特征尺寸的物理极限对存储市场的影响，寻找新型NVM成为了一第一章绪论段时间内半导体工业研究的主题[9-10】。图1．1常见的Flash存储器内部结构示意图1．2新型NVM的发展在半导体存储器研究热火朝天的趋势之下，市场上不断涌现出新型的非挥发性存储器。这些新型非挥发性存储器的主要特点之一就是不用依

6、靠浮栅层对电荷的储存来实现信息的存储，所以这种储存机理很容易就解决了Flash读写速度慢、集成度低的问题。而且它们通常有着比NORFlash更简单的结构和低成本，以及远远超过NANDFlash的读写速度。现阶段在半导体存储器领域中，常见的作为下一代非挥发性存储器候选者的主要包括下面几种：铁电式存储器、磁阻式存储器、相变式存储器和阻变式存储器。1．2．1铁电存储器铁电存储器FRAM(FerroelectricrandomaccessmelTlory)，其结构和DRAM类似，其储存机理是利用铁电晶体材料的极化来完成，最小极化区

7、域称为电畴。在外电场作用下电畴极化方向会发生变化，宏观表现为电滞回线，从而完成对信息存储。它的单元尺寸也受到尺寸限制，当小到一定程度就会失去铁电特性，而且与半导体工艺兼容性不好【11】。1．2．2相变存储器相变存储器PRAM(PhaseRandomAccessMemory)，是利用相变材料在晶态和非晶态之间变化，通过不同状态导致的不同导电性来存储信息的，一般所加外激励为脉冲电流，之后电能会转化为热能，热能是相变材料发生变化，从而实现电阻的翻转。其优点为抗辐射性能强，读写快，集成密度高和兼容性好。但是，相变存储器的电阻和阂值

8、电压稳定性存在较大问题【121。1．2-3磁阻存储器磁阻存储器MRAM(MagnetoresistiveRandomAccessMemory)是利用隧道磁阻效应第一章绪论实现信息存储的。当电流流过薄膜时，当电子自旋方向不变则为低电阻，当发生变化则呈现高电阻【131。1．2．4阻变存储器阻变式存储器RRA