基于氧化钛阻变存储器的阻变机理分析

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1、分类号：TN303;TN304.9密级：天津理工大学研究生学位论文基于氧化钛阻变存储器的阻变机理分析（申请硕士学位）学科专业：微电子学与固体电子学研究方向：半导体薄膜材料与器件作者姓名：周立伟指导教师：赵金石教授2015年1月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeAnalysisofResistiveSwitchingMechanismofResistiveRandomAccessMemorybasedonTitaniumOxideByLiweiZhouSupervisorProf.Jinshi

2、ZhaoJanuary2015摘要随着信息化时代的到来，大容量、低功耗和低成本的非挥发性存储器在电子市场中占据着越来越重要的位置。然而，目前基于浮栅结构的Flash非挥发性存储器逐渐走向物理极限，亟需寻求一种新型的非挥发性存储器。阻变存储器因其具有结构简单、与CMOS工艺兼容以及高密度存储等方面的优势，成为取代当前Flash存储器的有力竞争者。当前，在阻变存储器的研究中还存在许多问题需要解决，例如，阻变机理不明确，器件稳定性差，耐久性差等。本论文重点分析基于氧化钛阻变材料的阻变存储器的阻变机理，在此基础上，通过结构优化，提高阻变单元性能。一、通过改变氧化钛阻变层厚度，获得了同时具有For

3、ming-free、低功耗和多值特性的阻变单元，基本结构为Al/TiOx/Cu。通过对阻变单元电学性能测试，表明多值存储是由铜导电细丝和氧空位导电细丝的断裂而形成；阻变单元Forming过程之后，深度剖析俄歇电子能谱仪对阻变层中铜元素的探测结果表明，Forming-free和低功耗特性与铜元素存在于氧化钛中的浓度有关。二、为了探究铜导电细丝和氧空位导电细丝形成的先后顺序，设计实验，利用将Al电极替换成Pt电极的方法，获得了Cu/TiOx/Pt阻变单元结构，并对置位过程中出现的两个阻态进行阻变机理分析，证实了铜导电细丝和氧空位导电细丝形成的先后顺序。三、为了改善Cu/TiOx/Pt阻变单元

4、的循环特性与功耗特性，在上电极铜与阻变层氧化钛之间插入氧化铪薄膜，构建了Cu/HfOx/TiOx/Pt阻变单元，分析认为特性的改善是由于氧化铪薄层控制了铜导电细丝断裂的位置和抑制了铜导电细丝的形成。关键词：阻变存储器氧化钛导电细丝多值存储低功耗AbstractWiththecomingofinformationera,thenonvolatilememory(NVM)withlargecapacity,lowpowerconsumptionandlowcostproperties,playsamoreandmoreimportantroleintheelectronicmarket.Ho

5、wever,theFlashNVMmemorybasedonfloatinggatestructureisgraduallyclosetothephysicallimits.AnewtypeNVMurgentlyneededtobedeveloped.Resistiverandomaccessmemory(RRAM)owingtoitssimplestructure,compatibilitywithstandardCMOSprocessandhighdensitystorge,becomeacontendertoreplacecurrentFlash.Atpresent,inthepr

6、ocessofdevelopingRRAM,alotofquestionsneededtobesolved,suchasunclearresistiveswitchingmechanism,poordevicesstabilityandpoorendurance.OurworkfocusesontheanalysisofresistiveswitchingmechanismofRRAMbasedontantiniumoxide.Onthisbasis,thepropertiesofRRAMwereimprovedbystructuraloptimization.Firstly,bycha

7、ngingtheresistanceswitchingTiOxlayer,thepropertiesofforming-free,lowpowerandmultilevelresistanceswitchingwereobtainedinAl/TiOx/Cudevicestructure.Theresultsofelectricalmeausurementconfirmedthereasonforexplainingthemulti