氧基阻變存儲(chǔ)器阻變機(jī)理和耐久性失效研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著智能手機(jī)、平板電腦、移動(dòng)存儲(chǔ)等一系列高科技產(chǎn)品在人們生活中普及，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器扮演著越來(lái)越重要的角色。然而，隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷向前推進(jìn)，當(dāng)前主流的基于浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器Flash開始遇到嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸。針對(duì)這一情況，國(guó)內(nèi)外紛紛開展對(duì)下一代新型存儲(chǔ)技術(shù)的研究。其中，阻變存儲(chǔ)器以其速度快、功耗低、與傳統(tǒng)CMOS工藝相兼容等特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，阻變存儲(chǔ)器還存在著很多問(wèn)題，諸如:阻變機(jī)理不是足夠

2、清晰，電學(xué)參數(shù)均一性不高等。
　　 本論文選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能相對(duì)穩(wěn)定的以HfO2作阻變材料的氧基阻變存儲(chǔ)器作為研究器件，開展關(guān)于阻變機(jī)理和耐久性失效的相關(guān)研究工作。首先，通過(guò)調(diào)整制備器件的工藝參數(shù)，以及器件阻變層和儲(chǔ)氧層的厚度，制備得到了性能指標(biāo)相對(duì)理想的氧基阻變器件，結(jié)構(gòu)為W/Ti/HfO2/Pt。
　　 利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)阻變器件的電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，分析了器件編程、擦除、循環(huán)操作等過(guò)程的電學(xué)性能。對(duì)1900次編程

3、擦除循環(huán)的編程電壓、編程電流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，推斷編程過(guò)程的物理本質(zhì)，得到了影響阻變過(guò)程的最直接因素是電場(chǎng)而不是電流的結(jié)論，電流引起的熱效應(yīng)并不是本研究器件主要的阻變影響因素。這為之后的阻變機(jī)理模型的提出奠定了基礎(chǔ)。
　　 提出了電場(chǎng)控制下的基于氧離子Hopping理論的阻變模型，對(duì)電場(chǎng)作用下氧離子遷移的物理過(guò)程進(jìn)行了深刻剖析。利用提出的阻變機(jī)理模型進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，得出了擦除時(shí)間和所加電場(chǎng)之間的關(guān)系，并進(jìn)行分析。此外，還計(jì)算了溫度對(duì)

4、擦除時(shí)間和所加電場(chǎng)關(guān)系的影響。
　　 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用脈沖發(fā)生器和示波器對(duì)器件的擦除時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，得到了施加不同電場(chǎng)下的擦除時(shí)間，并發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值與利用模型推導(dǎo)出的理論值很好地吻合，說(shuō)明了所提出模型的正確性。
　　 根據(jù)氧基阻變器件的整個(gè)循環(huán)操作直至失效所表現(xiàn)出的電學(xué)性能特點(diǎn)，對(duì)器件耐久性失效情況進(jìn)行了分析，提出了耐久性失效的兩個(gè)原因:氧離子流失和氧化層的負(fù)向擊穿。并設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了退火處理對(duì)阻變存儲(chǔ)器負(fù)向擊穿電壓的影響，