阻变存储器(rram)器件特性与模型研究

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1、学校代码10701学号1017110290分类TN82号TN4密级公开西安电子科技大学博士学位论文阻变存储器（RRAM）器件特性与模型研究作者姓名：雷晓艺一级学科：电子科学与技术二级学科：微电子学与固体电子学学位类别：工学博士指导教师姓名、职称：刘红侠教授提交日期：2014年9月StudyonDeviceCharacteristicandModelingofResistiveRandomAccessMemory(RRAM)AdissertationsubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillm

2、entoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyByLeiXiaoyi(ElectronicScienceandTechnology)Supervisor:Prof.LiuHongxiaSeptember2014西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西

3、安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，获得学位后结合学位论文研究成果撰写的文

4、章，署名单位为西安电子科技大学。保密的学位论文在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要随着通信、计算机和个人消费电子产品发展，市场对非易失性存储器的需求量越来越大，人们对存储设备的要求也越来越高。半导体工艺技术节点进入20nm，传统基于浮栅结构的闪存（Flash）的正面临严重的技术瓶颈。因此，实现更高速度、更大容量、更高集成度、更强可靠性和更低功耗的存储器来取代Flash存储器成为人们研究的热点。阻变存储器以其卓越的特性受到学术领域和工业领域的高度重视。本文针对基于ZrO2与Si3N4薄膜的阻变存储器展开研究，

5、主要内容如下：1.论文对Ti/ZrO2/PtRRAM器件的直流转换、阻变机制、导电机制等方面的特性进行研究。研究器件的C-V与C-F特性发现器件高阻态时表现为电容特性，低阻态表现为电感特性。通过对介电常数的计算得到实验值明显大于介质本身的值。说明器件高阻态时薄膜中存在没有与氧离子复合的氧空位，减小了薄膜的有效厚度。器件高阻态下阻抗谱Nyquist图说明RRAM器件在高阻态可以等效为电阻和电容的并联。利用电流驱动的方式使器件实现电阻转换，并使器件高低阻态的电阻具有更好的一致性，存储窗口提高将近一个数量级。对SET过程限制电流和RESET

6、过程截止电压对阻变参数的影响进行测试分析，并分析造成影响的原因。通过控制限制电流和截止电压的大小，实现器件的多值存储应用。研究不同上电极的器件的电阻转变特性与导电机制。由于Pt的高金属功函数，实现转换的周期较少且数据离散性大，器件很容易发生硬击穿失去阻变功能。Cu、Ni为上电极的器件均为金属细丝导电，通过实验和理论分析得到Ni为上电极的器件比起Cu为上电极的器件需要更高的转换电压。2.论文对Ti/ZrO2/PtRRAM器件的温度特性进行研究。分析温度对器件电阻、Forming过程、SET/RESET电压等参数的影响。其次，针对寄生电容

7、充放电导致器件RESET过程中电流过冲现象，提出利用高温Forming来改善器件转换性能，并抑制器件的RESET电流过冲。最后针对扫描电压应力与恒定电压应力（CVS）对器件的影响进行分析。随着扫描电压转变循环的增加，开态电流逐渐减小，关态电流逐渐增大；低阻电阻逐渐增大，高阻电阻逐渐减小，器件的开关电阻比变小；SET电压正向漂移，RESET电压负向漂移。CVS应力下器件经过多级转换实现SET和RESET过程。CVS的应力电压越大，器件实现转换所用的时间越短。另外，器件低阻态阻值越低，负向CVS转换所需时间越长。3.利用COMSOL多物理

8、场仿真软件，以2-D轴对称结构为几何载体，建立包含离子迁移模型、电传导模型和焦耳热模型在内的RRAM器件2-D轴对称有限元电-热耦合模型，模型既包含阻变层材料的电热特性，也计入了上下电极的材料I西安电子科技大学博士学位论