二元金属氧化物阻变存储器概述

二元金属氧化物阻变存储器概述

半导体器件的尺寸随着摩尔定律的不断缩小是支撑集成电路和信息技术快速发展的原动力。然而基于电荷存储机制的Flash 存储器作为当前主流的非挥发性存储技术随工艺技术代拓展遇到严重的技术瓶颈，已经无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。为了延续摩尔定律的前进脚步，许多基于其它存储概念的新型非挥发性存储技术受到科研界和学术界的广泛关注。其中，基于薄膜材料的可逆电致电阻效应的阻变随机存取存储器(resistive random access memory,RRAM)，因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、高速擦写和极佳的尺寸缩小性等优势，并且其材料与当前CMOS 工艺兼容，被认为是下一代非挥发性存储器的最有力竞争者之一。

在阻变存储器(RRAM)中，我们把研究的注意力集中在材料组分简单、容易控制，制造工艺与CMOS兼容的二元金属氧化物上，创新性地研究了掺杂二元金氧化物的电阻转变特性。主要研究了Au/ZrO2:Au/n+ Si，Au/HfO2:Cu/n+ SiCu/ZrO2:Cu/Pt这三种材料结构的阻变特性，分析了各自电阻转变的可能机制，发展了一套测试器件性能参数的电学测试方法。实验结果发现在二元金属氧化物中掺杂可以有效的提高器件的成品率，我们认为这是由于人为引入的杂质能够调制与阻变密切相关的缺陷的分布和类型。这项结果使得掺杂的二元金属氧化物材料具有很大的RRAM的应用潜力。

关键词：非挥发性存储器；电阻转变；阻变随机存储器；二元金属氧化物；

多值存储；

第一章绪论

1.1 引言

存储是一切生物的本能，松鼠存储过冬的松果；北极熊为冬天的漫长寒冷存储下厚厚的脂肪以冬眠；而人类的发展从未离开过存储。从古至今，从原始人类存储食物，到现代人的信息交流，都离不开这个词。我们存储的载体从山洞变成了冰箱，从毛皮变成了纸张，又从纸张变成了手机，电脑等电子产品。随着人们的生活水平越来越高，越来越多人都拥有各种电子产品。移动存储设备、手机通信设备以及数码相机等各种便携式数码产品走入了千家万户，人们的生活越来越便捷。市场对非易失性数据存储目前主流的存储器有挥发性的动态随机存储器(DRAM)和静态随机存储器(SRAM)及非挥发性的“闪存”存储器(Flash)。市场对存储器的要求变得越来越高，如今市场对存储器的要求是数据不易丢失，具有高速、高集成度和电可擦除等。而非挥发性的“闪存”存储器(Flash)正好拥有以上优点，因此其在上世纪90 年代以来得迅猛的发展。2006 年的销售额更是占据整个存储器市场的40%以上。

在2007 年，Flash 存储器市场规模达到了220

亿美元，同时超过DRAM 成为目前市场出货量最大的存储器产品。

尽管Flash 存储器在市场上获得了巨大成功，然而，随着人类的需求越来越高以及工艺的不断完善，器件的特征尺寸不得不不断变小。传统Flash 存储器的越来越多的缺陷和问题就暴漏了出来。一，它的写入电压较高、读写速度较慢和功耗较大，因此需要特殊的电压提升，从而进一步加大了电路设计的难度。而，传统的Flash 存储器的可擦写次数比较低(～106)，目前仍无法取代RAM，应用于高速计算、读写频繁的随机存储。三，传统Flash 存储器的隧穿氧化层厚度的减薄不能与技术代发展保持同步，同时单元尺寸的缩小还会带来工艺涨落和随机涨落增加等难题，因此传统Flash 存储器无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。

由于传统的Flash 存储器件遇到的可缩小性难题，替代Flash 的新型不挥发存储器应世而生。其技术思路主要分为两类。如图1.1所示。一类是在传统的Flash 存储器的基础上进行的改进型路线，期望能将现有的存储技术推进到32 nm 技术节点以下，其代表性结构为纳米晶存储器[和电荷捕获型存储器。另一类是在Flash 技术达到物理极限以后，采用完全不同的技术和新的存储机理的革命型路线，其代表性器件为铁电存储器(FRAM:Ferroelectric Random Access Memory)、磁存储器(MRAM: MagnetoresistiveRandom Access Memory)、相变储器(PCM: Phase Change Memory)和阻变存储器(RRAM: Resistive Random Access Memory)等

图1.1 下一代非挥发性存储器发展趋势

1.2 阻变随机存取存储器（RRAM）

RRAM 全称为“Resistive Random Access Memory”，它主要是利用某些薄膜

材料在电激励的作用下会出现不同电阻状态(高、低阻态)的转变现象来进行数据

的存储。电阻转变存储技术具有单极性电阻转变和双极性电阻转变两种操作模式，如图1.2 所示。RRAM 的基本结构为金属-绝缘体-金属(M-I-M)和金

属-绝缘体-半导体(M-I-S)结构，其中上面的金属薄膜作为上电极，中间的绝缘层作为阻变功能层，下面金属或导电的半导体衬底用作下电极。具有阻变现象的材料非常丰富，特别是一些与CMOS 工艺兼容的二元氧化物也被报道具有较好的阻变存储特性.

与其它新型非挥发存储器相比，RRAM 具有简单的器件结构、优秀的可缩小性、较快的操作速度和相对较小的功耗，因此成为下一代非挥发存储器的有力竞争者之一。与此同时，RRAM 作为一个新兴的研究领域，还存在着许多问题需要解决，例如如何提高器件的存储窗口，如何减小器件的转变参数的离散性，如何降低器件的擦除电流等等；另外，导致材料发生电阻转变的微观机理还不是很清楚，也需要进一步的研究。下一章将对RRAM 领域的研究进展进行详RRAM 可以做到不引入与常规CMOS 技术不兼容的材料，对标准的CMOS 工艺不产生破坏性的污染，这意味着研发和生产成本中无需巨大的专用设备投资，研发和成果转化周期都可大大缩短。

图1.2 (a)单极性电阻转变和(b)双极性电阻转变方式

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1.3选题意义及研究内容

本论文共分为八章，每章的主要内容如下：

第一章，绪论。主要介绍研究背景，引出以纳米晶浮栅存储器为代表的改进型方案和以RRAM 为代表的革命型方案。

第二章，概要介绍了RRAM 器件的发展，分析了RRAM 的基本转变特性和操作，概述了有源和无源的阵列结构、具有电阻转变效应的材料以及电阻转变的机制。

第三章，制备并测试分析了Au/ZrO2:Au/n+ Si、Au/HfO2。的电阻转变特性。

第四章，总结全文工作，并对未来工作进行展望。