北 京 大 学 本 科 毕 业 论 文 导 师 评 阅 表 学 号 学 生 姓 名 吕 阳 论 文 成 绩 学 院 ( 系 ) 信 息 科 学 技 术 学 院 专 业 微 电 子 学 导 师 姓 名 康 晋 锋 导 师 单 位 北 京 大 学 微 电 子 所 职 称 教 授 论 文

Transcription

1 本 科 生 毕 业 论 文 题 目 : 氧 化 物 阻 变 存 储 器 开 关 特 性 机 制 与 模 型 研 究 Mechanism and Modeling of Resistive Switching Characteristics in Oxide Based Resistive Random Access Memory 姓 名 : 吕 阳 学 号 : 院 系 : 信 息 科 学 技 术 学 院 专 业 : 微 电 子 学 指 导 教 师 : 康 晋 锋 教 授 二 零 一 二 年 五 月

2 北 京 大 学 本 科 毕 业 论 文 导 师 评 阅 表 学 号 学 生 姓 名 吕 阳 论 文 成 绩 学 院 ( 系 ) 信 息 科 学 技 术 学 院 专 业 微 电 子 学 导 师 姓 名 康 晋 锋 导 师 单 位 北 京 大 学 微 电 子 所 职 称 教 授 论 文 题 目 ( 中 英 文 ) 氧 化 物 阻 变 存 储 器 开 关 特 性 机 制 与 模 型 研 究 Mechanism and Modeling of Resistive Switching Characteristics in Oxide Based Resistive Random Access Memory 导 师 评 语 : 基 于 介 质 材 料 体 系 阻 变 (Resistive Switching) 效 应 的 新 型 存 储 器 - 阻 变 存 储 器 (RRAM) 是 近 年 来 国 际 上 集 成 电 路 领 域 研 究 的 热 门 课 题 吕 阳 同 学 的 毕 业 论 文 针 对 基 于 过 渡 金 属 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 件 的 阻 变 过 程 和 可 靠 性 退 化 行 为 的 机 制 与 模 拟, 进 行 了 系 统 的 文 献 调 研 与 深 入 的 研 究 分 析, 论 文 所 开 展 和 完 成 的 主 要 工 作 有 : 1 开 展 了 双 极 型 阻 变 存 储 器 件 阻 变 机 制, 特 别 是 关 于 RESET 过 程 物 理 机 制 的 研 究 工 作 在 理 论 分 析 与 实 验 验 证 的 基 础 上, 利 用 合 理 的 假 设, 建 立 了 描 述 RESET 时 间 和 外 加 脉 冲 依 赖 关 系 的 解 析 模 型 以 及 提 取 RRAM 器 件 关 键 物 理 参 数 的 方 法 ; 2 开 展 了 对 氧 化 物 阻 变 存 储 器 的 可 靠 性 退 化 特 性 的 研 究, 深 入 分 析 了 RRAM 器 件 所 展 现 的 不 同 的 耐 久 力 (endurance) 退 化 现 象 及 其 相 关 的 物 理 机 理 以 此 为 基 础, 提 出 了 改 善 氧 化 物 阻 变 器 件 耐 久 力 性 能 的 优 化 操 作 模 式 以 上 研 究 成 果 的 取 得, 为 氧 化 物 阻 变 器 件 的 性 能 优 化 与 实 际 应 用 提 供 了 重 要 的 理 论 基 础 和 指 导 价 值 吕 阳 同 学 在 毕 业 论 文 设 计 期 间, 工 作 扎 实 深 入, 学 习 态 度 认 真, 取 得 了 多 项 具 有 创 新 性 价 值 的 研 究 成 果, 并 作 为 第 一 及 第 二 作 者, 分 别 在 IEEE EDL 2012 IEEE IRPS 及 2012 IEEE IEDM 等 国 际 国 际 性 顶 级 期 刊 与 学 术 会 议 上 发 表 了 自 己 的 工 作 整 个 论 文 条 理 清 楚 语 言 流 畅 书 写 规 范 逻 辑 性 强, 表 明 吕 阳 同 学 掌 握 了 坚 实 的 基 础 理 论 和 专 业 知 识, 具 有 很 强 的 分 析 问 题 解 决 问 题 和 独 立 开 展 科 研 工 作 的 能 力 论 文 内 容 条 理 清 楚 概 念 准 确 书 写 规 范, 是 一 篇 优 秀 的 本 科 毕 业 论 文 导 师 签 名 : 2012 年 5 月 31 日

3 摘 要 基 于 过 渡 金 属 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 件 (TMO-RRAM) 具 有 众 多 优 异 的 存 储 性 能, 如 快 的 读 写 速 度, 低 的 操 作 电 压 与 功 耗, 大 的 尺 寸 缩 小 潜 力, 可 实 现 三 维 高 密 度 集 成 度 等 因 此, 其 作 为 新 一 代 存 储 器 技 术 的 主 要 候 选 器 件 被 广 泛 研 究, 成 为 当 前 国 际 集 成 电 路 领 域 研 究 的 热 门 课 题 本 文 主 要 研 究 了 阻 变 存 储 器 开 关 特 性 机 制 的 简 化 模 型, 并 以 此 为 基 础 进 一 步 探 讨 了 相 关 的 器 件 可 靠 性 问 题, 特 别 是 与 耐 久 力 (endurance) 相 关 的 高 低 阻 态 窗 口 退 化 机 制 与 改 善 措 施 本 文 研 究 的 主 要 思 路 是 根 据 现 有 的 物 理 机 制 与 合 理 的 物 理 假 设, 建 立 描 述 RESET 时 间 和 外 加 电 压 依 赖 关 系 的 解 析 模 型, 并 对 实 验 数 据 进 行 拟 合 预 测, 通 过 考 虑 其 他 物 理 效 应 不 断 修 正 模 型, 使 两 者 相 吻 合 最 后 通 过 此 解 析 模 型 分 析 影 响 阻 变 过 程 的 各 项 物 理 参 数, 与 可 靠 性 退 化 问 题 相 结 合, 提 出 针 对 不 同 实 验 现 象 的 物 理 机 制 以 及 优 化 的 操 作 模 式, 从 而 使 器 件 性 能 得 到 改 善 本 文 的 主 要 研 究 成 果 如 下 : 1 本 文 针 对 双 极 型 阻 变 存 储 器 件 的 阻 变 过 程, 进 行 了 深 入 的 分 析 研 究 理 论 分 析 与 实 验 研 究 表 明, 双 极 型 阻 变 存 储 器 件 的 RESET 过 程 主 要 由 两 个 效 应 主 导, 其 一 是, 束 缚 在 电 极 内 的 氧 离 子 在 电 场 作 用 下, 输 运 至 介 质 层 中 的 氧 空 位 附 近 的 过 程, 其 二 是 在 电 场 作 用 下, 产 生 电 子 耗 尽 的 氧 空 位 与 临 近 的 氧 离 子 复 合 的 过 程 以 此 为 基 础, 通 过 合 理 的 假 设 与 简 化, 获 得 了 关 于 其 RESET 时 间 及 其 所 达 到 的 高 阻 态 阻 值 的 解 析 表 达 式, 建 立 了 基 于 解 析 表 达 式 的 简 化 模 型 参 数 与 阻 变 行 为 相 关 物 理 参 数 的 关 联 性, 为 关 键 物 理 参 数 的 提 取 奠 定 了 必 要 的 基 础 2 开 展 了 氧 化 物 阻 变 存 储 器 可 靠 性 退 化 特 性, 主 要 是 RRAM 器 件 的 耐 久 力 (endurance) 退 化 现 象 的 研 究 实 验 表 明, 阻 变 存 储 器 件 展 现 出 不 同 的 耐 久 力 退 化 特 征, 而 它 们 都 与 氧 空 位 积 累 效 应 相 关 : 积 累 数 目 有 限 时 表 现 为 高 低 阻 比 值 的 缓 慢 下 降 ; 当 新 的 导 电 通 道 产 生 时, 高 低 阻 比 值 急 剧 下 降, 器 件 失 效 具 有 较 长 上 升 和 下 降 时 间 波 形 的 操 作 脉 冲 可 以 抑 制 氧 空 位 的 积 累 效 应, 从 而 大 幅 度 提 升 阻 变 存 储 器 件 的 耐 久 力 以 此 为 基 础, 建 立 关 于 氧 化 物 阻 变 存 储 器 件 耐 久 力 退 化 的 机 制 与 物 理 模 型, 提 出 了 改 善 氧 化 物 阻 变 器 件 耐 久 力 性 能 的 优 化 操 作 模 式 关 键 字 : 阻 变 存 储 器 ; 导 电 通 道 ; 双 极 RESET 过 程 ; 耐 久 力 退 化 ; 简 化 模 型 ;

4 Abstract Transitional metal oxide (TMO) based resistive random access memory (RRAM) has excellent memory performances such as fast switching speed, lower operating voltage, and great potential of scalability and high density 3D integration. Therefore, as one of the most promising candidates for the next generation of memory technology, it has become a worldwide hot topic in the field of Integrated Circuit in recent years. In this paper, a physical based simplified model was presented to quantify the resistive switching behavior of oxide-based resistive random access memory. Combined with Ion-Transport-Recombination Model and physical assumptions, this work presented analytical expressions of RESET time and correlated resistance in high resistance states. After considering additional physical effects to revise the model, the simplified model fitted well with the measured data. Based on this model, related reliability issues, especially physical mechanisms of endurance degradation were also investigated. To be specific, this paper included the research work as following: 1. This paper conducted comprehensive investigation on resistive switching behavior of bipolar oxide-based RRAM. According to the theoretical analysis and experimental data, the RESET process can be divided into two parts to simplify the calculation: oxygen ions transportation from electrode to oxygen vacancies and recombination of oxygen vacancies with oxygen ions nearby. In this way, the RESET time in these two parts can be calculated separately using physical assumptions and a physical based simplified model was presented. In this model, the analytical expressions of the RESET time and the correlated resistance in high resistance states were presented and experimentally verified. Based on the extracted physical based model parameters from measured data, the resistive switching characteristics of bipolar oxide-based RRAM devices can be evaluated. 2. Research about reliability degradation in bipolar oxide-based RRAM, especially physical mechanisms of endurance degradation, was conducted. Based on the measured data and the proposed model, there re different types of endurance

5 degradation, which are all related to oxygen vacancy accumulation effect. During the SET/RESET switching process, the additionally generated oxygen vacancy may be continuously accumulated. This shall lead to the gradual reduction of resistance ratio until the occurrence of the final failure when the additional filament is newly generated. The operation pulse with long rise and fall time can suppress the accumulation effect thus be anticipated to improve the device s endurance. The mechanism and physical models of endurance degradation in bipolar oxide-based RRAM were thus presented and optimized operation modes to improve endurance characteristics were proposed. Keywords: Resistive Random Access Memory; Conductive Filament; RESET Process in Bipolar Oxide-Based RRAM ; Endurance Degradation; Simplified Model; 5

6 目 录 第 一 章 绪 论 存 储 器 简 介 阻 变 存 储 器 概 述 非 发 挥 性 阻 变 存 储 器 研 究 意 义 本 论 文 主 要 工 作... 9 第 二 章 氧 化 物 阻 变 存 储 器 的 阻 变 机 制 FORMING/SET 过 程 机 制 RESET 过 程 机 制 单 极 型 RESET 热 分 解 模 型 双 极 型 RESET 氧 迁 移 模 型 单 极 型 与 双 极 型 的 统 一 机 制 本 章 小 结 第 三 章 阻 变 存 储 器 开 关 特 性 及 其 简 化 模 型 双 极 型 氧 化 物 阻 变 存 储 器 开 关 特 性 双 极 型 氧 化 物 阻 变 存 储 器 的 RESET 过 程 研 究 RESET 过 程 分 析 氧 离 子 输 运 过 程 分 析 氧 空 位 复 合 过 程 分 析 双 极 型 阻 变 存 储 器 简 化 模 型 简 化 模 型 的 预 测 与 实 验 验 证 本 章 小 结 第 四 章 阻 变 存 储 器 的 可 靠 性 与 耐 久 力 退 化 的 物 理 机 制 阻 变 存 储 器 的 可 靠 性 问 题 阻 变 存 储 器 耐 久 力 退 化 的 物 理 机 制 高 低 阻 态 阻 值 窗 口 的 退 化 现 象 氧 空 位 积 累 效 应 物 理 机 制 的 实 验 验 证 优 化 操 作 模 式 本 章 小 结 i

7 第 五 章 全 文 总 结 论 文 的 主 要 内 容 论 文 主 要 创 新 点 未 来 的 工 作 附 录 参 考 文 献 致 谢 ii

8 第 一 章 绪 论 1.1 存 储 器 简 介 从 1946 年 世 界 上 第 一 台 数 字 计 算 机 ENIAC 的 产 生, 到 现 在 不 过 是 短 短 的 60 多 年 然 而 就 在 这 半 个 多 世 纪 的 时 间 里, 最 初 被 预 估 为 世 界 上 不 需 要 超 过 10 台 的 计 算 机, 飞 速 发 展 到 了 如 今 普 及 到 千 家 万 户 的 状 态 ; 集 成 电 路 的 产 业 也 从 最 开 始 那 个 众 人 眼 中 的 新 兴 行 业 俨 然 成 为 了 如 今 成 熟 且 仍 在 进 步 发 展 的 核 心 行 业 之 一 尤 其 是 上 世 纪 70 年 代 以 来, 在 集 成 电 路 遵 循 着 摩 尔 定 律 呈 现 指 数 型 发 展 的 同 时, 各 式 各 样 的 电 子 产 品 开 始 慢 慢 充 斥 我 们 的 生 活 而 存 储 器 作 为 大 多 数 电 子 产 品 都 不 可 或 缺 的 一 个 部 分, 自 然 也 随 着 科 技 的 迅 猛 发 展 经 历 了 一 代 又 一 代 的 进 步 广 义 来 说, 存 储 器 (memory) 指 的 是 在 电 子 类 产 品 中 用 以 存 放 数 据 程 序 等 各 种 信 息 的 记 忆 设 备 由 于 计 算 机 内 部 采 用 二 进 制, 因 此 存 储 器 的 最 基 本 单 元 就 需 要 能 够 表 示 两 种 可 区 分 的 状 态 早 期 流 行 的 3.5 英 寸 软 盘 是 以 磁 性 材 料 为 存 储 单 元, 但 由 于 其 存 储 密 度 小 容 量 小 读 写 速 度 慢 不 可 靠 等 因 素 逐 渐 被 如 今 的 半 导 体 存 储 器 所 取 代 目 前 的 半 导 体 存 储 器 以 MOS 技 术 为 主, 基 本 存 储 单 元 采 用 双 稳 态 电 路 及 其 衍 生 电 路 单 MOS 管 加 电 容 以 及 各 种 新 型 结 构 和 电 路 ( 如 浮 栅 结 构 MOS 器 件 等 ), 一 般 具 有 静 态 功 耗 低 技 术 兼 容 存 储 读 取 速 度 快 可 靠 性 高 等 多 种 优 势 [1]-[2] 存 储 器 的 分 类 方 式 多 种 多 样, 现 主 要 的 一 种 分 类 方 式 是 按 照 存 储 器 的 读 写 方 式 分 为 只 读 存 储 器 (Read Only Memory,ROM) 和 随 机 读 写 存 储 器 (Random Access Memory,RAM) 前 者 存 储 的 是 固 定 内 容, 一 般 不 可 改 变, 只 能 读 取 其 内 容 而 不 能 写 入, 一 般 用 于 存 放 系 统 固 定 程 序 等 ; 后 者 则 是 既 能 读 取 也 能 写 入 信 息 内 容 的 存 储 器 根 据 工 作 原 理 和 条 件 不 同, RAM 又 分 别 称 为 静 态 读 写 存 储 器 SRAM(Static RAM) 和 动 态 读 写 存 储 器 DRAM(Dynamic RAM) 另 外, 按 照 存 储 信 息 的 可 保 存 性 来 区 分, 存 储 器 可 以 分 为 挥 发 性 存 储 器 (volatile memory) 和 非 挥 发 性 存 储 器 (non-volatile memory) 二 者 的 区 别 主 要 在 于 在 断 电 后, 存 储 器 能 否 继 续 保 存 其 存 储 的 信 息 和 内 容 [3] 1

9 要 考 察 一 种 存 储 器 的 性 能 好 坏, 一 些 比 较 重 要 的 参 数 为 : 数 据 的 读 取 时 间, 写 入 时 间, 存 储 单 元 的 面 积, 数 据 保 持 时 间 及 耐 久 力 等 除 此 之 外, 存 储 器 是 否 与 现 有 的 集 成 电 路 工 艺 相 兼 容, 是 否 可 以 在 很 大 程 度 上 按 比 例 缩 小, 是 否 具 有 拓 展 到 三 维 空 间 的 潜 力 等, 也 都 左 右 着 此 种 存 储 器 件 能 否 在 工 业 上 实 现 量 产 1.2 阻 变 存 储 器 概 述 如 上 一 节 所 说, 存 储 器 的 一 个 基 本 单 元 需 要 具 有 两 个 可 区 分 的 状 态 所 以 广 义 的 来 说, 任 何 满 足 此 条 件 的 单 元 如 果 加 以 利 用 都 可 以 作 为 存 储 数 据 的 载 体 但 是 由 于 这 两 个 不 同 的 状 态 需 要 转 换 成 电 信 号 来 进 行 读 取, 因 此 为 了 简 化 外 围 电 路, 现 今 存 储 器 技 术 大 多 都 采 用 电 相 关 的 参 数 来 表 示 存 储 状 态, 例 如 电 压, 电 荷, 电 容 等 而 电 阻 作 为 材 料 的 固 有 特 性 之 一, 自 然 也 会 适 合 作 为 存 储 状 态 被 利 用 大 部 分 材 料 都 会 在 一 定 程 度 上 体 现 出 阻 值 变 化 的 特 性, 这 种 现 象 在 诸 如 氧 化 钛 (TiO 2 ) 氧 化 铪 (HfO 2 ) 氧 化 镍 (NiO) 氧 化 锆 (ZrO 2 ) 等 过 渡 性 金 属 氧 化 物 材 料 中 体 现 更 为 突 出 [5]-[7], 因 此 目 前 主 要 研 究 的 非 挥 发 性 阻 变 存 储 器 也 大 多 以 这 些 氧 化 物 材 料 为 主 早 在 40 多 年 前, 通 常 为 绝 缘 体 的 氧 化 物 经 历 突 然 的 状 态 转 变 而 成 为 导 体 的 现 象 就 被 发 现 [7]-[9], 其 器 件 结 构 通 常 为 金 属 电 极 之 间 夹 叠 过 渡 金 属 氧 化 物 的 三 明 治 结 构 (MIM) 2004 年, 三 星 公 司 发 表 了 关 于 与 0.18um CMOS 技 术 相 兼 容 的 1T1R( 一 晶 体 管 一 电 阻 ) 结 构 NiO 阻 变 存 储 单 元 的 研 究 工 作 [10], 阻 变 存 储 器 件 的 研 究 工 作 在 这 之 后 真 正 成 为 了 研 究 热 点 在 通 常 情 况 下, 阻 变 存 储 器 中 氧 化 物 的 阻 值 大 约 是 在 百 KΩ 的 数 量 级, 也 即 处 于 一 种 高 阻 的 绝 缘 状 态 (high resistance state, HRS) 下 在 施 加 一 定 的 电 压 电 流 或 者 温 度 的 情 况 下, 氧 化 物 的 电 阻 会 骤 然 降 低 到 几 KΩ 的 量 级, 电 流 会 突 然 增 大 1-2 个 数 量 级 并 且 在 一 定 的 条 件 下, 这 种 低 阻 态 (low resistance state, LRS) 又 能 够 转 化 回 原 始 的 高 阻 态 这 表 明, 此 类 氧 化 物 的 不 同 电 阻 状 态 能 够 互 相 转 变, 且 各 自 也 能 够 在 一 定 条 件 下 保 持, 并 被 读 取, 继 而 作 为 0 或 1 的 状 态 用 以 存 储 信 息 更 重 要 的 是, 即 使 是 在 断 电 的 情 况 下, 也 有 可 能 保 持 住 这 两 种 高 低 阻 态, 这 为 存 储 器 的 非 挥 发 性 提 供 了 潜 在 的 可 能 [11] 2

10 氧 化 物 之 所 以 能 够 转 变 到 一 个 较 低 的 阻 态, 主 要 是 由 于 经 历 了 一 个 类 似 于 击 穿 的 过 程, 在 氧 化 物 中 产 生 了 导 电 的 通 道, 从 而 使 得 电 阻 值 下 降 图 1-1 及 1-2 分 别 为 导 电 通 道 的 基 本 示 意 图 以 及 通 过 原 子 力 显 微 镜 观 察 到 的 可 以 间 接 证 明 导 电 通 道 存 在 的 证 据 [12]: 图 1-1 氧 化 物 中 形 成 导 电 通 道 示 意 图 注 :a b 两 图 分 别 为 垂 直 和 水 平 结 构, 两 边 金 属 为 电 极 图 1-2 通 过 AFM 观 察 到 的 局 域 大 电 流 密 度 低 电 阻 的 现 象, 证 明 导 电 通 道 的 存 在 借 用 了 数 字 逻 辑 电 路 中 的 一 些 概 念 名 称, 我 们 把 对 于 阻 变 氧 化 物 施 加 一 定 的 作 用, 使 其 从 最 初 的 高 阻 态 变 化 到 低 阻 态, 电 流 突 然 增 大 的 过 程 称 为 SET 过 程, 该 转 变 点 电 压 称 为 SET 电 压 ; 而 相 反 的, 使 其 变 回 到 高 阻 态, 电 流 减 小 的 过 程 3

11 称 为 RESET 过 程, 对 应 电 压 称 为 RESET 电 压 ; 通 常 在 第 一 次 形 成 导 电 通 道 的 之 前, 需 要 更 高 的 电 压 来 击 穿 整 个 介 质 层, 这 个 触 发 接 下 来 阻 态 转 变 行 为 的 初 始 化 过 程 被 称 为 forming 过 程 为 了 保 证 击 穿 的 可 逆 性, 防 止 永 久 性 击 穿, 常 常 会 在 SET 过 程 中 设 置 限 流 值, 通 常 由 存 储 器 单 元 中 晶 体 管 或 者 二 极 管 实 现 为 了 从 阻 变 单 元 中 读 取 数 据, 需 要 施 加 读 操 作 的 电 压 而 不 影 响 阻 变 单 元 的 原 有 高 低 阻 态 图 1-3 为 RRAM 器 件 的 的 状 态 转 化 图 图 1-3 RRAM 器 件 状 态 转 换 示 意 图 对 于 过 渡 性 金 属 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 件, 大 多 是 采 用 在 衬 底 上 的 金 属 / 氧 化 物 / 金 属 结 构 两 侧 的 金 属 作 为 电 极, 用 以 施 加 电 压 电 流 等 外 力 作 用 中 间 加 以 过 渡 性 金 属 氧 化 物, 为 主 要 的 阻 变 部 分, 用 以 存 储 数 据 信 息 根 据 两 侧 使 用 金 属 电 极 材 料 的 不 同, 可 以 将 RRAM 分 成 单 极 型 (Unipolar) 和 双 极 型 (Bipolar) 两 种 两 者 区 分 就 在 于 SET 和 RESET 过 程 中 使 用 的 电 压 或 者 电 流 极 性 是 否 相 同 具 体 来 说, 单 极 型 阻 变 器 件 加 以 一 个 方 向 的 电 压 SET 后, 再 加 同 一 方 向 低 于 SET 电 压 值 的 电 压 就 会 RESET, 在 施 加 反 方 向 的 电 压 时 情 况 也 类 似 ; 而 对 于 双 极 型 RRAM 器 件, 则 需 要 加 正 向 电 压 SET, 加 负 向 电 压 RESET, 且 两 者 极 性 一 般 不 可 对 调 现 在 基 本 认 为 RRAM 器 件 的 双 极 性 质 是 由 于 电 极 的 不 对 称 性 而 造 成 的 两 种 RRAM 器 件 的 典 型 I-V 曲 线 图 如 下 所 示 [13]: 4

12 图 1-4 Unipolar( 左 ) 和 Bipolar( 右 ) RRAM 器 件 典 型 I-V 特 性 曲 线 图 许 多 文 献 中 都 对 高 低 阻 态 I-V 特 性 曲 线 进 行 了 拟 合 多 数 文 献 表 明 低 阻 态 下 传 输 特 性 为 欧 姆 或 线 性 关 系, 但 高 阻 态 下 的 传 输 特 性 比 较 多 样 :Poole Frenkel 发 射 [14], 肖 特 基 发 射 [15], 空 间 电 荷 限 制 电 流 特 性 [16] 都 在 不 同 的 金 属 氧 化 物 中 被 发 现 在 氧 化 层 中 形 成 的 导 电 通 道 可 以 说 是 基 于 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 件 各 项 研 究 的 关 键 所 在 研 究 表 明, 低 阻 态 下 阻 变 存 储 器 件 的 阻 值 会 呈 现 出 负 的 温 度 特 性, 也 即 其 低 阻 态 的 阻 值 会 随 着 温 度 的 升 高 而 降 低, 这 表 明 了 非 金 属 性 的 导 电 通 道 的 可 能 性 [17] 目 前 主 流 的 观 点 是 认 为 该 导 电 通 道 是 由 氧 空 位 所 组 成 的 氧 化 层 中 的 处 于 晶 格 格 点 位 置 的 氧 在 外 加 电 场 的 作 用 下 被 电 离 出 来, 并 在 原 来 的 位 置 形 成 氧 空 位 一 连 串 的 氧 空 位 构 成 了 非 金 属 性 的 导 电 通 道 从 而 达 到 低 阻 态 根 据 Mott 的 电 子 跳 跃 (Hopping) 导 电 理 论 [18], 电 子 在 相 邻 的 氧 空 位 之 间 跳 跃, 其 理 论 推 导 出 的 ZnO 阻 变 存 储 器 的 交 流 电 导 - 温 度 曲 线 也 与 实 验 所 测 结 果 基 本 吻 合 因 此 可 以 基 本 确 认 该 种 氧 空 位 构 成 的 非 金 属 性 质 的 导 电 通 道 在 阻 变 存 储 器 中 所 起 到 的 关 键 作 用 现 在 关 于 阻 变 存 储 器 的 主 要 研 究 内 容 主 要 分 为 三 个 大 方 面 ( 示 意 图 如 下 所 示 ): 第 一 是 关 于 RRAM 器 件 的 工 作 机 制 的 研 究, 这 也 是 所 有 关 于 RRAM 器 件 研 究 的 基 础 尽 管 之 前 提 及 的 关 于 导 电 通 道 的 理 论 已 经 被 普 遍 的 接 受, 但 是 尚 没 有 十 分 有 力 的 证 据 来 直 接 证 明 氧 空 位 的 导 电 通 道 的 存 在, 而 且 在 许 多 细 节 上 还 存 在 着 进 一 步 探 讨 的 可 能 性, 例 如 SET 和 RESET 过 程 的 具 体 机 制 及 其 差 异, 利 用 第 一 性 原 理 计 算 结 果 与 实 验 结 果 的 拟 合, 单 极 型 RRAM 器 件 的 具 体 工 作 原 理, 以 及 和 原 理 相 关 的 RRAM 模 型 建 立 的 问 题 第 二 项 是 关 于 与 RRAM 器 件 和 制 作 5

13 工 艺 相 关 的 研 究, 包 括 对 于 氧 化 物 材 料 的 选 择, 能 够 增 加 RRAM 器 件 各 项 性 能 ( 尤 其 是 减 小 同 种 工 艺 不 同 器 件 之 间 偏 差 ) 的 新 型 结 构 的 设 计 等 这 是 建 立 在 基 本 了 解 了 RRAM 器 件 的 工 作 机 理 的 基 础 之 上 进 行 的 第 三 项 是 关 于 RRAM 器 件 应 用 方 面 的 研 究, 也 是 将 此 项 研 究 和 产 业 应 用 相 联 系 的 部 分 这 方 面 有 关 于 现 场 可 编 程 门 阵 列 (Field Programmable Gate Array, FPGA) 忆 阻 器 (memoristor) 等 与 电 路 相 关 部 分 的 研 究, 也 有 和 一 些 比 较 新 的 概 念, 例 如 神 经 单 元 (Neural Cell), 相 结 合 的 交 叉 研 究 等 因 此 RRAM 器 件 具 有 一 定 的 研 究 和 应 用 的 前 景, 它 对 于 下 一 代 非 挥 发 性 存 储 器 的 研 发 具 有 重 要 的 意 义 材 料 结 构 制 作 工 艺 研 究 实 际 应 用 FPGA 忆 阻 器 RRAM 器 件 SET/RESET 机 制 差 异 物 理 机 制 探 究 单 极 / 双 极 机 制 差 异 理 论 计 算 与 模 型 建 立 图 1-5 RRAM 主 要 研 究 内 容 示 意 图 1.3 非 发 挥 性 阻 变 存 储 器 研 究 意 义 自 从 英 特 尔 (Inter) 的 创 始 人 之 一 戈 登 摩 尔 (Gordon Moore) 在 1965 年 提 出 了 摩 尔 定 律 以 来, 集 成 电 路 以 及 相 关 的 信 息 技 术 行 业 始 终 遵 循 着 这 一 预 言 呈 现 出 指 数 性 的 快 速 发 展 而 根 据 意 法 半 导 体 (ST) 存 储 产 品 部 门 副 总 裁 Giuseppe Crisenza 等 人 在 1996 年 的 预 测, 存 储 器 市 场 将 占 据 整 个 集 成 电 路 市 场 的 将 近 一 半 根 据 最 近 更 为 确 切 的 数 据, 在 中 国 巨 大 的 集 成 电 路 行 业 中, 存 储 器 市 场 份 额 也 占 据 到 了 20% 以 上 6

14 而 在 世 界 范 围 内, 一 直 以 来 占 存 储 器 主 导 地 位 的 动 态 存 储 器 (DRAM) 以 及 在 近 几 年 内 新 兴 的 以 浮 栅 结 构 (Floating Gate) 的 MOSFET 器 件 作 为 核 心 的 NOR 和 NAND 型 闪 存 的 市 场 都 在 不 断 的 扩 大 即 使 是 在 金 融 危 机 的 那 段 时 间, 其 增 长 势 头 依 然 不 减 图 年 世 界 DRAM 市 场 图 年 NOR 和 NAND 型 FLASH 存 储 器 件 市 场 7

15 于 是, 以 每 三 年 翻 两 番 这 个 惊 人 速 度 增 长 的 信 息 技 术 行 业, 在 巨 大 市 场 需 求 的 推 动 下, 对 于 存 储 器 各 个 方 面 性 能 的 需 求 也 将 越 来 越 高 : 更 小 的 单 元 面 积, 更 高 的 集 成 度, 更 低 的 功 耗, 更 小 的 特 称 尺 寸 动 态 存 储 器 (DRAM) 需 要 定 期 刷 新 数 据, 静 态 存 储 器 (SRAM) 电 路 复 杂, 集 成 度 低 且 两 者 都 属 于 挥 发 性 存 储 器 件, 断 电 后 都 无 法 保 持 数 据 而 浮 栅 结 构 的 FLASH, 据 预 测 在 工 艺 的 特 征 尺 寸 降 到 16nm 以 下 之 后, 器 件 性 能 也 会 呈 现 逐 渐 下 降 的 趋 势 因 此 对 于 新 型 的 低 成 本 高 集 成 度 高 性 能 且 与 现 有 工 艺 相 兼 容 的 非 挥 发 性 存 储 器 的 研 发 就 成 了 集 成 电 路 行 业 的 重 头 戏 按 照 上 述 的 要 求 作 为 评 判 标 准, 非 挥 发 性 阻 变 存 储 器 首 先 具 有 简 单 的 存 储 单 元 : 简 单 的 MIM 结 构 就 体 现 出 了 工 艺 兼 容, 低 成 本 的 巨 大 优 势, 也 可 以 通 过 简 单 的 结 构 设 计 做 出 高 存 储 密 度 的 存 储 器 除 此 之 外, 阻 变 存 储 器 件 还 具 有 较 低 的 读 写 时 间 以 及 操 作 电 压, 而 数 据 保 持 时 间 耐 久 力 等 可 靠 性 性 能 也 具 有 相 当 大 的 增 长 潜 力, 这 些 优 势 都 会 使 其 在 高 性 能 低 功 耗 方 面 有 着 突 出 的 表 现 [19] 表 格 1-1 是 近 几 年 基 于 氧 化 物 的 双 极 型 阻 变 存 储 器 件 的 性 能 比 较 [14] 表 格 1-2 是 ITRS(International Technology Roadmaps for Semiconductors) 对 于 几 种 非 挥 发 性 存 储 器 (Non-Volatile Memory) 性 能 所 做 的 对 比 [20] 表 格 1-1 基 于 氧 化 物 的 双 极 型 阻 变 存 储 器 件 的 性 能 比 较 8

16 表 格 1-2 多 种 非 挥 发 性 存 储 器 性 能 对 比 Flash MRAM PCRAM RRAM 非 挥 发 性 有 有 有 有 读 取 时 间 10-50ns 50ns 60ns <50ns 写 入 / 使 能 时 间 1/0.1ms 20ns 50/120ns 5/5ns 单 元 构 成 * 1T 1T1R 1T1R/1D1R 1T1R/1D1R 单 元 尺 寸 按 比 例 缩 小 一 般 较 差 较 好 较 好 保 持 时 间 10^6 10^15 10^12 10^9 多 比 特 存 储 有 无 有 有 三 维 潜 力 无 无 有 有 (*T 代 表 晶 体 管 transistor,d 代 表 二 极 管 diode,r 代 表 电 阻 resistor) 除 了 简 单 的 作 为 存 储 器, 阻 变 存 储 器 在 对 于 FPGA, 忆 阻 器 以 及 其 他 一 些 相 关 领 域 的 研 究 也 具 有 一 定 的 启 发 和 推 动 作 用 [21] 由 上 述 分 析 可 见, 非 挥 发 性 阻 变 存 储 器 在 众 多 方 面 所 表 现 出 的 优 势, 使 得 其 具 有 了 推 动 集 成 电 路 产 业, 尤 其 是 存 储 器 这 一 领 域 继 续 迅 速 发 展 的 潜 力, 因 此 对 其 的 研 究 也 具 有 了 较 为 重 要 的 意 义 1.4 本 论 文 主 要 工 作 目 前 对 基 于 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 的 工 作 机 制 已 经 有 了 初 步 的 认 识, 但 是 仍 然 存 在 着 不 少 的 具 体 细 节 没 有 得 到 较 为 明 确 的 解 释, 这 些 问 题 在 一 定 程 度 上 严 重 阻 碍 着 阻 变 器 件 的 发 展 和 应 用 本 论 文 的 主 要 从 双 极 型 阻 变 存 储 器 的 开 关 特 性 简 化 模 型 以 及 可 靠 性 物 理 机 制 这 两 方 面 进 行 了 讨 论, 建 立 了 描 述 RESET 过 程 的 解 析 模 型, 分 析 了 耐 久 力 退 化 的 物 理 机 制, 并 为 提 高 器 件 各 项 阻 变 性 能 提 出 了 解 决 方 案 具 体 来 说, 第 二 章 主 要 是 以 往 研 究 工 作 的 回 顾, 特 别 是 在 阻 变 存 储 器 的 阻 变 物 理 机 制 方 面 的 文 献 综 述 这 一 章 为 本 文 工 作 的 理 论 基 础, 我 也 是 通 过 对 于 这 一 9

17 章 知 识 的 熟 练 掌 握, 根 据 双 极 型 阻 变 存 储 器 的 RESET 物 理 模 型, 也 即 本 章 的 所 叙 述 的 内 容, 进 行 了 第 三 和 第 四 章 的 工 作 第 三 章 主 要 介 绍 的 是 双 极 型 阻 变 存 储 器 RESET 过 程 的 简 化 模 型, 利 用 已 有 的 物 理 机 制 和 合 理 假 设, 对 RESET 过 程 所 需 的 开 关 时 间 及 高 阻 态 阻 值 进 行 了 简 洁 的 定 量 描 述, 并 为 提 升 器 件 性 能, 例 如 高 开 关 速 度 大 高 低 阻 态 窗 口 等 等, 做 出 了 理 论 指 导 本 部 分 内 容 主 要 模 型 思 路 是 我 在 高 滨 许 诺 师 兄 之 前 提 出 的 阻 变 机 制 的 基 础 上, 与 高 滨 师 兄 一 起 讨 论 并 提 出 的 本 人 在 这 一 部 分 中, 独 立 推 导 了 描 述 RESET 时 间 的 解 析 表 达 式, 进 行 了 关 于 RESET 时 间 与 RESET 电 压 依 赖 关 系 的 器 件 测 试 实 验, 并 利 用 相 关 软 件 进 行 了 曲 线 拟 合 与 参 数 提 取 最 终 我 以 第 一 作 者 的 身 份 将 这 项 工 作 发 表 在 了 IEEE Electron Device Letters 上 第 四 章 主 要 着 眼 点 放 在 了 阻 变 存 储 器 件 的 可 靠 性 上, 特 别 是 耐 久 力 的 退 化 问 题 通 过 大 量 实 验 数 据, 总 结 出 了 一 般 性 的 耐 久 力 退 化 规 律, 包 括 三 个 典 型 步 骤 : 稳 定 不 变, 缓 变 及 突 变 利 用 第 三 章 的 RESET 过 程 的 简 化 物 理 模 型, 提 出 了 与 氧 空 位 积 累 效 应 相 关 的 物 理 机 制 同 时 从 抑 制 氧 空 位 积 累 效 应 的 角 度 出 发, 提 出 了 优 化 的 操 作 模 式, 显 著 提 高 了 器 件 耐 久 力, 并 进 一 步 比 较 了 不 同 的 操 作 模 式, 验 证 了 所 提 出 的 物 理 机 制 该 部 分 的 物 理 机 制 由 本 人 和 陈 冰 师 兄 等 人 共 同 提 出 本 人 进 行 了 器 件 的 可 靠 性 测 试 工 作, 设 计 了 不 同 的 操 作 模 式, 并 在 实 验 上 得 到 了 具 体 实 施 最 终 我 以 第 一 作 者 的 身 份 将 这 项 工 作 发 表 在 国 际 会 议 IEEE 2012 International Reliability Physics Symposium 上 第 五 章 为 全 文 总 结 10

18 第 二 章 氧 化 物 阻 变 存 储 器 的 阻 变 机 制 2.1 Forming/SET 过 程 机 制 阻 变 存 储 器 的 Forming/SET 过 程 可 以 看 做 是 电 解 质 的 软 击 穿 过 程 [22] 统 计 下 的 时 间 依 赖 击 穿 测 试 表 明,Forming 时 间 与 外 加 电 压 呈 现 指 数 关 系, 证 明 了 该 过 程 并 不 是 在 某 临 界 电 压 下 自 发 进 行 的, 而 是 由 应 力 导 致 的 缺 陷 引 起 的 激 发 性 过 程 [23] 通 常 而 言, 阻 变 的 氧 化 物 薄 膜 为 多 晶 或 非 晶 材 料, 导 电 通 道 更 易 形 成 在 晶 粒 边 界 的 位 置 具 体 的 物 理 过 程 是 : 在 高 电 场 情 况 下 (>10 MV/cm), 晶 格 内 的 氧 原 子 被 打 出, 并 漂 移 运 动 至 阳 极 与 此 同 时, 在 介 质 层 氧 化 物 中 形 成 了 缺 陷 ; 这 种 局 域 化 的 氧 缺 陷 就 导 致 了 由 氧 空 位 或 金 属 沉 积 组 成 的 导 电 通 道 形 成 通 过 原 子 力 显 微 镜, 这 种 局 域 化 的 导 电 通 道 在 多 种 不 同 材 料 的 金 属 氧 化 物 中 都 可 以 被 观 察 到, 验 证 了 这 一 通 道 类 型 的 导 电 机 制 [24-25] 在 未 发 生 过 阻 变 行 为 的 器 件 中, 本 征 的 缺 陷 数 目 较 少, 因 此 需 要 一 个 高 的 Forming 电 压 来 对 阻 态 转 移 进 行 初 始 化 Forming 过 程 之 后, 就 会 产 生 足 够 数 量 的 缺 陷 在 接 下 来 的 阻 变 过 程 中, 只 有 处 在 电 极 附 近 的 一 部 分 缺 陷, 可 以 在 RESET 过 程 中 被 还 原 因 此,SET 电 压 小 于 Forming 电 压 ; 同 时, 高 阻 态 阻 值 也 小 于 未 发 生 阻 变 时 器 件 的 阻 值 显 然 在 实 际 应 用 中, 并 不 希 望 Forming 电 压 过 大 因 此, 很 多 研 究 都 在 致 力 于 实 现 不 需 要 Forming 的 阻 变 器 件 研 究 表 明,Forming 电 压 与 氧 化 层 厚 度 呈 现 线 性 依 赖 关 系, 所 以 更 薄 的 氧 化 层 厚 度 有 助 于 减 小 Forming 电 压, 并 且 当 厚 度 减 小 到 3nm 以 下, 基 于 HfOx 的 阻 变 器 件 可 以 不 需 要 Forming 过 程 [26] 2.2 RESET 过 程 机 制 虽 然 如 2.1 中 所 讨 论 的 Forming/SET 过 程 的 物 理 机 制 取 得 了 一 定 程 度 上 的 共 识, 但 并 没 有 统 一 的 机 制 来 解 释 不 同 阻 变 类 型 下 的 RESET 过 程 目 前 来 看, 热 分 解 模 型 可 以 解 释 部 分 单 极 型 器 件 的 阻 变 特 性, 而 氧 迁 移 模 型 可 以 解 释 部 分 双 极 型 器 件 的 阻 变 特 性 其 实 二 种 不 同 的 阻 变 类 型 : 单 级 型 与 双 极 型, 并 不 是 孤 立 的, 二 者 有 着 相 互 11

19 联 系 实 验 表 明, 氧 离 子 的 迁 移 过 程 无 论 在 单 极 或 者 双 极 器 件 中 都 起 着 非 常 重 要 的 作 用 ; 而 导 电 通 道 附 近 的 热 作 用 ( 高 电 流 密 度 可 能 会 使 得 这 个 区 域 温 度 升 高 几 百 K) 可 以 增 强 氧 的 输 运 单 极 型 RESET 热 分 解 模 型 单 极 型 阻 变 存 储 器 RESET 过 程 的 物 理 机 制 可 以 用 一 个 自 发 的 热 分 解 效 应 进 行 解 释 [27] 当 外 加 电 压 施 加 到 阻 变 单 元 上 时, 会 有 电 流 通 过, 也 就 相 应 地 产 生 了 焦 耳 热 对 于 对 称 的 导 电 通 道 而 言, 电 极 处 的 温 度 与 室 温 一 致, 而 在 中 间 达 到 最 大 值 在 一 阶 近 似 下, 可 以 假 设 当 导 电 通 道 内 最 高 温 度 达 到 一 临 界 值 T crit 时, RESET 开 始 利 用 焦 耳 热 模 型 去 分 析 RESET 过 程 所 提 取 的 激 活 能 为 1.1 ev, 这 与 文 献 中 报 导 的 NiO 中 的 氧 空 位 扩 散 能 量 1.2 ev 非 常 接 近, 证 明 了 RESET 过 程 正 是 由 缺 陷 扩 散 引 起 的 如 果 假 设 导 电 通 道 的 断 裂 与 分 解 是 热 激 发 的, 其 速 度 可 以 写 为 :V G = V G0 e -Ea/kT, 同 时 认 为 导 电 通 道 是 二 维 的 对 称 圆 锥 那 么 通 过 热 流 方 程 计 算 每 一 个 电 压 下 导 电 通 道 与 周 围 氧 化 物 的 温 度, 并 且 将 温 度 变 化 代 入 电 阻 以 及 导 电 通 道 分 解 的 表 达 式 中, 可 以 得 到 RESET 过 程 中 的 I-V 曲 线 ( 图 2-1) 以 及 导 电 通 道 的 形 貌 变 化 ( 图 2-2), 并 且 该 模 型 与 实 验 数 据 基 本 相 符 合 [27] 图 2-1 RESET 过 程 I-V 曲 线 模 型 计 算 与 实 验 数 据 对 比 12

20 图 2-2 RESET 过 程 中 导 电 通 道 的 形 貌 及 温 度 变 化 模 拟 结 果 通 道 中 央 温 度 最 高 的 点 对 应 最 快 的 分 解 速 度, 形 貌 变 窄 又 进 一 步 加 速 了 分 解, 从 而 产 生 了 自 激 发 的 RESET 过 程 A\B\C\D 四 点 对 应 上 图 I-V 曲 线 中 的 A\B\C\D 当 导 电 通 道 中 的 焦 耳 热 随 着 RESET 过 程 逐 渐 增 大 时 ( 由 I-V 曲 线 可 得 ), 在 较 热 的 区 域 内 热 分 解 过 程 ( 与 温 度 指 数 相 关 ) 会 导 致 其 半 径 更 小 因 此, 这 部 分 区 域 ( 在 导 电 通 道 的 中 央 位 置 ) 内 的 局 域 电 场 和 电 流 密 度 会 变 得 更 大, 进 一 步 加 速 了 热 分 解 过 程 这 样 一 种 正 反 馈 的 机 制 正 解 释 了 单 极 型 阻 变 存 储 器 的 I-V 曲 线 中, 电 流 在 RESET 阻 变 点 的 位 置 急 剧 下 降 双 极 型 RESET 氧 迁 移 模 型 就 基 于 氧 化 物 的 双 极 型 阻 变 存 储 器 而 言, 其 工 作 机 制 可 用 研 究 组 之 前 所 提 出 的 氧 离 子 输 运 复 合 模 型 解 释 [28] 导 电 通 道 是 由 Forming 过 程 产 生 的 缺 陷 氧 空 位 所 组 成, 电 子 可 以 在 相 邻 氧 空 位 之 间 输 运 ( 多 为 跃 迁 作 用 ), 器 件 也 因 此 导 电 SET/RESET 过 程 中 的 工 作 机 制 如 图 2-3 所 示 [28], 在 SET 过 程 中, 外 加 电 场 使 得 占 据 氧 空 位 的 氧 离 子 变 成 间 隙 氧, 在 介 质 层 中 产 生 缺 陷, 同 时 将 这 些 间 隙 氧 输 运 至 电 极 中 存 储, 导 电 通 道 得 以 形 成 在 RESET 过 程 中, 外 加 电 场 同 样 使 得 氧 空 位 发 生 耗 尽 作 用, 不 再 被 电 子 占 据, 与 此 同 时 与 SET 过 程 中 相 反 方 向 的 电 场 可 以 抽 取 原 本 存 储 的 氧 离 子, 使 其 输 运 至 耗 尽 的 氧 空 位 附 近, 并 发 生 复 合 作 用 这 样 氧 离 子 重 新 占 据 氧 空 位, 原 来 形 成 的 导 电 通 道 逐 渐 关 断, 器 件 进 入 高 阻 状 态 13

21 图 2-3 双 极 型 阻 变 存 储 器 SET/RESET 过 程 物 理 机 制 示 意 图 在 实 验 上, 通 过 XPS 射 线 谱, 证 明 了 间 隙 中 氧 离 子 的 存 在, 如 图 2-4 所 示 [28] 同 时 通 过 计 算 氧 空 位 的 电 子 占 据 率, 证 实 了 氧 空 位 的 耗 尽 现 象 在 电 极 附 近 区 域 的 存 在, 如 图 2-5 所 示 [28] 图 2- ZnO 薄 膜 中 Zn 2p 轨 道 O 1s 轨 道 XPS 射 线 谱, 在 ZnO 中 发 现 了 间 隙 氧 的 存 在 14

22 图 2-5 导 电 通 道 中 氧 空 位 的 电 子 占 据 率 与 深 度 电 压 依 赖 关 系 的 模 拟 计 算 当 电 压 达 到 临 界 值 时, 阴 极 附 近 的 氧 空 位 会 发 生 电 子 耗 尽 现 象 单 极 型 与 双 极 型 的 统 一 机 制 正 如 2.1 所 提 到 的 那 样, 对 于 单 极 型 或 者 双 极 型 阻 变 行 为 而 言,SET 过 程 都 是 与 氧 离 子 运 动 至 阳 极 相 关 的 软 击 穿 过 程 在 SET 之 后, 氧 离 子 在 界 面 处 积 聚, 暂 时 得 到 存 储, 并 在 RESET 过 程 中 进 行 运 动 并 消 除 缺 陷 图 2-6 总 结 了 RESET 过 程 中 影 响 氧 离 子 迁 移 的 可 能 因 素 漂 移 作 用 和 扩 散 作 用 [29] 对 于 双 极 型 RESET 过 程 而 言, 其 扩 散 与 漂 移 的 作 用 方 向 相 同, 氧 离 子 可 以 从 阳 极 迁 移 至 氧 化 层 中, 使 得 导 电 通 道 断 裂 ; 然 而 对 于 单 级 型 RESET 过 程 而 言, 这 两 个 作 用 的 方 向 相 反, 互 相 束 缚, 当 漂 移 作 用 大 于 扩 散 作 用 时, 才 可 能 实 现 RESET 若 同 时 考 虑 到 氧 离 子 的 漂 移 扩 散 及 温 度 效 应 的 影 响, 可 以 对 RESET 过 程 中 氧 离 子 的 数 目 进 行 模 拟, 从 而 判 断 RESET 是 否 成 功 实 现 ( 氧 离 子 数 目 是 否 下 降 至 最 初 的 20%) 针 对 三 种 不 同 情 况 :a) 没 有 界 面 势 垒 正 向 偏 压 ;b) 存 在 界 面 势 垒 正 向 偏 压 ;c) 存 在 界 面 势 垒 负 向 偏 压 的 模 拟 结 果 见 图 2-7[29] 15

23 图 2-6 氧 离 子 在 RESET 过 程 中 迁 移 作 用 力 示 意 图 图 2-7 三 种 不 同 RESET 条 件 下 氧 离 子 数 目 随 时 间 变 化 图 中 表 明,a) 代 表 的 单 极 型 RESET 成 功,b) 代 表 的 单 极 型 RESET 失 败,c) 代 表 的 双 极 型 RESET 成 功 上 述 模 拟 结 果 表 明, 在 没 有 界 面 势 垒 的 情 况 下, 扩 散 作 用 强 于 漂 移 作 用, 焦 耳 热 效 应 可 以 激 发 氧 离 子 的 定 向 移 动 ; 在 存 在 界 面 势 垒 的 情 况 下, 单 极 型 RESET 过 程 很 难 发 生, 然 而 如 果 有 负 向 偏 压 使 得 势 垒 下 降, 氧 离 子 可 以 在 漂 移 作 用 下 定 向 移 动 到 氧 化 层, 从 而 双 极 型 RESET 得 以 实 现 因 此, 阻 变 模 式 不 是 氧 化 材 料 的 本 征 特 性, 而 是 电 极 与 氧 化 层 界 面 特 性 的 体 现 电 极 材 料 对 于 阻 变 存 储 器 件 的 16

24 阻 变 模 式 有 着 一 定 作 用, 通 常 来 说, 单 极 型 器 件 的 电 极 为 惰 性 金 属, 例 如 铂 金 等 ; 双 极 型 器 件 的 电 极 为 易 氧 化 的 钛 或 者 氮 化 钛 等 材 料 最 新 的 研 究 结 果 表 明, 在 同 一 种 材 料 的 器 件 中 可 能 会 同 时 存 在 单 极 型 以 及 双 极 型 的 阻 变 特 性 [30] 这 说 明 两 种 不 同 的 阻 变 模 式 可 能 会 有 类 似 的 物 理 起 源, 因 此 有 人 提 出 了 统 一 的 微 观 模 型 对 此 进 行 解 释, 该 模 型 的 主 要 观 点 是 :Forming/SET 过 程 和 RESET 过 程 分 别 对 应 氧 空 位 的 产 生 耗 尽 的 氧 空 位 与 氧 离 子 的 复 合 ; 对 于 双 极 型 RESET 过 程 来 说, 主 导 复 合 过 程 的 氧 空 位 耗 尽 和 氧 离 子 迁 移 都 由 电 场 所 控 制 ; 对 于 单 极 型 RESET 过 程 来 说, 主 导 复 合 过 程 的 氧 空 位 耗 尽 由 电 场 控 制, 而 临 近 氧 空 位 的 富 氧 集 团 的 氧 离 子 热 释 放 由 焦 耳 热 效 应 控 制 [31] 图 2-8 为 该 模 型 所 描 述 的 SET/RESET 过 程 示 意 图 图 2-8 a)set 过 程 示 意 图 b)set 过 程 对 应 的 方 程 表 达 式 图 2-8 c)reset 过 程 示 意 图 d) 双 极 型 RESET 机 制 e) 单 极 型 RESET 机 制 f)reset 过 程 对 应 的 方 程 表 达 式 17

25 2.3 本 章 小 结 本 章 是 全 文 研 究 工 作 的 理 论 基 础, 重 点 概 述 了 基 于 金 属 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 的 阻 变 机 制 :SET 过 程 是 产 生 氧 化 层 中 缺 陷 的 软 击 穿 过 程 ; 而 RESET 过 程 根 据 阻 变 模 式 的 不 同 ( 单 极 型 或 双 极 型 ), 可 以 分 别 用 自 激 发 的 热 分 解 模 型 或 者 氧 迁 移 模 式 解 释 然 而, 不 同 机 制 的 界 线 并 不 是 非 常 明 显, 决 定 阻 变 模 式 的 不 只 是 氧 化 层 特 性, 还 包 括 电 极 与 氧 化 层 的 界 面 特 征 在 同 一 材 料 的 器 件 中 也 可 能 同 时 存 在 双 极 型 或 者 单 极 型 的 阻 变 特 性 具 体 的 阻 变 过 程 及 其 机 制 总 结, 可 见 图 2-9[13] 图 2-9 氧 化 物 阻 变 存 储 器 状 态 转 换 过 程 示 意 图 18

26 第 三 章 阻 变 存 储 器 开 关 特 性 及 其 简 化 模 型 3.1 双 极 型 氧 化 物 阻 变 存 储 器 开 关 特 性 正 如 第 一 章 的 概 述 中 所 阐 述 的, 氧 化 物 阻 变 存 储 器 可 以 根 据 其 SET 过 程 和 RESET 过 程 施 加 的 作 用 ( 电 压 / 电 流 ) 极 性 的 相 同 与 否 被 分 为 单 极 型 阻 变 存 储 器 和 双 极 型 阻 变 存 储 器 双 极 型 阻 变 存 储 器 件 SET/RESET 过 程 施 加 的 操 作 电 压 极 性 相 反, 其 典 型 的 I-V 特 性 曲 线 如 图 3-1 所 示 [28] 图 3-1 TiN/ZnO/Pt 结 构 双 极 型 阻 变 存 储 器 典 型 IV 曲 线 SET 过 程 I-V 特 性 曲 线 如 图 3-2 所 示, 由 于 所 提 出 的 双 极 型 阻 变 存 储 器 氧 迁 移 模 型, 氧 空 位 的 产 生 与 局 域 电 场 强 度 相 关 : 大 的 SET 电 压 对 应 单 根 较 粗 的 导 电 通 道 ; 而 小 的 SET 电 压 对 于 多 根 较 细 的 导 电 通 道, 这 与 I-V 特 性 中 SET 电 压 较 大 时 的 突 变 及 较 小 时 的 缓 变 现 象 相 对 应 [31] 19

27 图 3-2 SET 过 程 I-V 特 性 曲 线, 较 大 和 较 小 的 SET 电 压 分 别 对 于 图 中 的 突 变 及 缓 变 过 程 图 3-3 表 示 不 同 RESET 电 压 下 的 SET 过 程 中 I-V 特 性 曲 线 根 据 氧 离 子 输 运 复 合 模 型, 随 着 RESET 电 压 增 大, 导 电 通 道 关 断 区 域 增 大, 因 此 需 要 更 大 的 SET 电 压 产 生 足 够 的 氧 空 位 来 使 导 电 通 道 重 新 形 成 [31] 图 3-3 不 同 电 压 对 应 的 SET 过 程 I-V 特 性 曲 线, 随 着 RESET 电 压 增 大,SET 电 压 也 相 应 变 大 20

28 图 3-4 表 示 高 阻 态 阻 值 与 RESET 电 压 的 对 应 关 系 随 着 RESET 电 压 变 大, 关 断 区 域 增 大, 也 就 对 应 更 高 的 高 阻 态 阻 值 [31] 图 3-4 高 阻 态 阻 值 与 RESET 电 压 关 系 RESET 时 间 是 描 述 RESET 过 程 的 一 项 关 键 参 数, 与 RESET 电 压 及 高 阻 态 阻 值 有 密 切 关 系 图 3-5 表 示 RESET 时 间 与 RESET 电 压 的 依 赖 关 系 [32], 很 容 易 发 现 图 中 的 拐 点 将 曲 线 分 成 两 部 分, 这 表 明 了 在 不 同 区 间 内,I: 输 运 过 程 和 II: 复 合 过 程, 两 个 部 分 分 别 起 到 了 主 导 作 用 : 在 电 压 较 低 时, 氧 空 位 并 未 完 全 耗 尽, 带 电 量 较 小, 复 合 作 用 微 弱, 使 得 II 所 对 应 的 复 合 时 间 远 小 于 I 对 应 的 输 运 时 间,II 占 主 导 在 电 压 变 大 后, 氧 空 位 完 全 耗 尽, 外 加 电 压 对 于 II 的 影 响 减 小, 复 合 时 间 趋 于 稳 定,II 对 应 的 复 合 时 间 与 I 所 对 应 的 输 运 时 间 可 比,I 由 此 占 据 了 主 导 通 过 以 上 分 析, 可 以 利 用 相 应 物 理 建 设, 分 别 计 算 I II 两 个 过 程 所 需 的 时 间, 最 终 得 到 关 于 RESET 时 间 与 外 加 电 压 依 赖 关 系 的 解 析 表 达 式, 建 立 双 极 型 阻 变 存 储 器 的 简 化 模 型 21

29 图 3-4 双 极 型 阻 变 存 储 器 RESET 时 间 与 外 加 脉 冲 电 压 关 系 从 图 中 可 以 发 现, 在 低 电 压 下, 二 者 呈 现 指 数 依 赖 关 系, 随 电 压 增 大 而 出 现 了 拐 点 3.2 双 极 型 氧 化 物 阻 变 存 储 器 的 RESET 过 程 研 究 目 前 对 于 阻 变 存 储 器 的 研 究 之 中 最 为 重 要 的 方 面 是 对 其 阻 变 物 理 机 制 的 分 析 以 及 相 应 模 型 的 建 立 描 述 其 阻 变 行 为 的 解 析 模 型 可 以 帮 助 人 们 更 为 清 晰 的 理 解 阻 变 机 制, 明 确 阻 变 过 程 中 的 关 键 物 理 参 数, 评 估 各 项 电 学 性 能, 提 高 器 件 可 控 性, 因 此 对 于 阻 变 存 储 器 的 实 际 应 用 具 有 重 要 指 导 作 用 虽 然 人 们 已 经 提 出 了 许 多 描 述 阻 变 存 储 器 阻 变 行 为 的 物 理 模 型 [32]-[34], 很 少 有 模 型 可 以 用 简 洁 的 解 析 表 达 式 定 量 的 描 述 其 阻 变 特 性, 这 限 制 了 阻 变 存 储 器 件 的 进 一 步 大 规 模 应 用 在 本 章 所 介 绍 的 研 究 工 作 中, 根 据 所 提 到 的 氧 离 子 输 运 复 合 模 型, 结 合 物 理 假 设, 本 节 提 出 了 描 述 RESET 时 间 及 相 应 高 阻 态 阻 值 的 简 化 模 型 该 模 型 对 实 验 数 据 做 出 了 极 佳 的 拟 合, 模 型 中 的 物 理 参 数 可 以 被 提 取, 并 用 于 性 能 表 征 及 优 化 设 计 的 理 论 指 导 通 过 SET 电 压 和 导 电 通 道 关 断 距 离 线 性 关 系 的 假 设, 该 模 型 对 一 个 特 定 的 脉 冲 所 能 RESET 到 的 高 阻 态 阻 值 做 出 了 预 测, 并 得 到 了 实 验 验 证, 可 作 为 今 后 更 为 应 用 广 泛 的 SPICE 模 型 的 基 础 RESET 过 程 分 析 22

30 图 3-5 为 基 于 氧 化 物 的 双 极 型 阻 变 存 储 器 RESET 过 程 的 示 意 图, 参 数 l 与 x 分 别 表 示 整 个 导 电 通 道 的 长 度 和 关 断 区 域 的 长 度 [35] 根 据 所 提 到 的 工 作 机 制, 可 以 将 整 个 过 程 简 化 为 两 个 部 分 :I. 束 缚 在 电 极 内 的 氧 离 子 在 电 场 作 用 下, 输 运 至 介 质 层 中 的 氧 空 位 附 近 ;II. 耗 尽 的 氧 空 位 与 临 近 的 间 隙 氧 离 子 复 合 图 3-5 双 极 型 阻 变 存 储 器 RESET 过 程 示 意 图 氧 离 子 输 运 过 程 分 析 氧 离 子 由 电 极 向 介 质 中 氧 空 位 的 输 运 过 程 可 以 看 作 离 子 在 势 垒 中 不 断 的 跃 迁 运 动, 如 图 3-6 所 示 [35] 在 外 加 电 场 的 作 用 下, 势 垒 在 某 一 个 方 向 上 升 高 而 在 另 一 下 方 向 上 降 低, 这 样 使 得 离 子 更 容 易 向 势 垒 降 低 的 方 向 进 行 跃 迁 运 动, 产 生 定 向 移 动 根 据 玻 尔 兹 曼 分 布, 跃 迁 几 率 P 可 写 作, P exp[ E( E) / k T] 0 m B 公 式 1 其 中,ν 0 为 氧 离 子 热 震 动 频 率,E m 为 等 效 势 垒 高 度, 假 定 在 氧 离 子 输 运 的 介 质 中 保 持 不 变 在 外 加 电 场 E 的 作 用 下, 势 垒 高 度 的 改 变 量 为 ΔE ±, 可 写 作, E aqe /2 公 式 2 平 均 场 强 E = V P /x 用 于 描 述 外 加 电 场 对 于 势 垒 的 作 用 V P 和 a 分 别 是 外 加 电 压 和 氧 离 子 的 跳 跃 长 度 利 用 公 式 1, 氧 离 子 的 输 运 速 度 μ 可 以 写 作, Em aqe a( P P ) 2a 0 exp( )sinh( ) 公 式 3 k T 2k T B B 23

31 图 3-6 外 加 电 场 作 用 下 的 氧 离 子 输 运 过 程 示 意 图 假 定 关 断 区 域 需 具 有 恒 定 的 电 场 来 完 成 SET 过 程, 那 么 关 断 区 域 长 度 x 与 SET 电 压 之 间 应 具 有 线 性 关 系 那 么 实 验 上 难 以 测 量 的 x 可 以 通 过 此 关 系 得 到, 输 运 时 间 t m 可 以 写 作, x AV x SET 0 公 式 4 t x x E aqv 2a k T 2xk T m 1 p ( x) exp( )sinh ( ) m 0 B B 公 式 氧 空 位 复 合 过 程 分 析 足 够 高 的 外 加 电 场 会 显 著 降 低 氧 化 层 中 氧 空 位 的 电 子 占 据 率, 从 而 使 得 氧 空 位 带 电 量 变 大 在 某 些 区 域, 带 电 氧 空 位 对 于 氧 离 子 的 俘 获 截 面 大 幅 度 增 大, 复 合 时 间 显 著 下 降 当 氧 离 子 处 在 这 些 区 域 内 ( 半 径 为 r), 受 到 耗 尽 氧 空 位 的 库 仑 吸 引 力 远 大 于 外 加 电 场 的 作 用 力 外 加 电 场 的 作 用 力 可 以 忽 略, 氧 离 子 直 接 向 氧 空 位 运 动, 与 之 复 合 因 此,r 可 由 比 较 库 仑 力 与 外 加 电 场 力 大 小 计 算 得 到, NE 2 q/ r 2 公 式 6 式 中, 参 数 N 用 于 衡 量 外 加 电 场 与 库 仑 电 场 的 大 小 关 系,ε 是 介 质 层 的 介 电 常 量 α(0< α <1) 由 外 加 电 压 V P 决 定, 表 示 氧 空 位 的 耗 尽 程 度 (α = 1 表 示 完 全 耗 尽 ) 24

32 在 俘 获 截 面 增 大 的 区 域 内 氧 空 位 被 复 合 的 概 率 p, 可 写 作, 2 r CO / NV 2 qc O exp[ ( )] / NE N p o V p k V V 公 式 7 式 中,N V 是 该 区 域 氧 空 位 的 总 数,C O 是 该 区 域 氧 离 子 密 度, 并 假 定 其 在 复 合 过 程 中 保 持 不 变 V P 当 大 于 V 0 时, 氧 空 位 完 全 耗 尽, 电 子 占 据 率 趋 于 0 由 公 式 6, 复 合 几 率 F(t) 可 写 作, F t 0 ( ) 1 (1 ) t 考 虑 到 p << 1, 复 合 时 间 可 近 似 计 算 为, p N N t ( x) V exp[ k( V V )] V r P p o 2 ( l x) qco 0 公 式 8 公 式 双 极 型 阻 变 存 储 器 简 化 模 型 结 合 公 式 4 与 公 式 8, 另 外 考 虑 到 实 际 的 分 压 情 况,RESET 时 间 可 以 表 示 为, 1Vp Vo Em N 1 N V V x aq on B 2V kt p reset ( ) p / sinh( ) 2 ( l x) qco 0 2a 0 2xkBT t x V e e 公 式 10 其 中 γ 1 和 γ 2 分 别 是 导 电 通 道 和 关 断 区 域 的 分 压 系 数 公 式 9 中 各 系 数 及 其 物 理 含 义 整 理 在 表 格 3-1 如 下, 表 格 3-1 RESET 简 化 模 型 中 的 各 项 系 数 及 其 物 理 含 义 系 数 N γ 1 ε N V x l C O ν 0 V 0 物 理 含 义 衡 量 外 加 电 场 与 库 仑 电 场 的 大 小 关 系 导 电 通 道 分 压 系 数 介 质 层 的 介 电 常 量 复 合 区 域 氧 空 位 的 总 数 关 断 区 域 长 度 介 质 层 厚 度 复 合 区 域 氧 离 子 密 度 氧 离 子 热 震 动 频 率 氧 空 位 完 全 耗 尽 所 需 电 压 25

33 V on E m a k B T RESET 开 启 电 压 氧 离 子 漂 移 势 垒 氧 离 子 跳 跃 距 离 玻 尔 兹 曼 常 数 热 力 学 温 度 公 式 9 可 以 简 写 为, t AV exp[ A V A )] A sinh ( AV ) 1 reset 1 p 2 p p 公 式 11 A 1 -A 5 为 简 明 的 各 项 系 数 由 之 前 的 假 设, 关 断 区 域 长 度 x 与 SET 电 压 之 间 具 有 线 性 关 系, 用 时 实 验 可 测 得 SET 电 压 与 SET 之 前 的 高 阻 态 阻 值 的 关 系 根 据 这 两 个 关 系, 可 建 立 x 与 高 阻 态 阻 值 的 直 接 对 应 关 系, 即 由 RESET 过 程 之 后 的 阻 值 得 到 x 的 数 值 ( 由 实 验 可 测 量 得 到 实 验 未 知 量 ), 从 而 进 行 曲 线 拟 合 和 参 数 提 取 3.3 简 化 模 型 的 预 测 与 实 验 验 证 测 试 所 用 器 件 为 ALD-HfOx 双 极 型 阻 变 存 储 器, 具 体 的 制 备 过 程 可 参 见 [36] 电 学 测 试 使 用 的 是 Agilent-4156C 和 Agilent-41501B 分 析 仪 图 3-7 表 示 实 验 测 量 的 RESET 时 间 与 RESET 电 压 依 赖 关 系 和 模 型 预 测 对 比 [35], 实 验 数 据 与 简 化 模 型 基 本 一 致, 说 明 了 低 高 阻 状 态 转 换 的 简 化 模 型 具 有 相 当 高 的 可 靠 性 在 E m =0.4eV and γ 1 =10 假 设 下, 物 理 系 数 : 跳 跃 距 离 a 和 开 启 电 压 V on, 在 不 同 实 验 条 件 下 都 可 以 被 提 取 不 同 氧 化 层 厚 度 (l) 下 的 RESET 时 间 与 RESET 电 压 ( 脉 冲 电 压 ) 曲 线 及 模 型 拟 合 展 示 在 图 (a), 提 取 的 模 型 参 数 完 全 符 合 模 型 预 测 :A 2 A 4 A 5 与 l 无 关, 故 提 取 结 果 基 本 不 变, 而 参 数 A 1 与 l 成 反 比, 变 化 明 显 图 (b) 表 示 RESET 时 间 与 RESET 电 压 在 不 同 高 阻 态 阻 值 情 况 下 的 依 赖 关 系 及 模 型 拟 合 参 数 A 1 A 4 A 5 在 不 同 阻 值 下 所 提 取 的 数 值 变 化 显 著, 证 明 了 高 阻 态 阻 值 与 x 直 接 相 关, 再 次 验 证 了 模 型 的 可 靠 性 26

34 (a) 10 1 Reset Time (s) l = 10nm Measured Data Model A 1 =95.84 x =6.5nm a =1.83nm V on =0.34V A 2 =29.45 A 3 =10.77 A 4 = A 5 =0.07 l = 30nm Measured Data Model x =6.5nm a =1.90nm V on =0.32V A 1 =47.64 A 2 =31.06 A 3 =42.86 A 4 = A 5 = Pulse Voltage (V) (b) Reset Time (s) R HRS = 10 A 1 =100 A 2 =30.83 A 3 =6.797 A 4 = A 5 =0.08 x =5.8nm a =1.49nm V on =0.32V Measured Data Model A 1 =95.84 A 2 =29.45 A 3 =10.77 A 4 = A 5 =0.07 x =6.5nm a =1.83nm V on =0.34V Measured Data Model R HRS = Pulse Voltage (V) 图 3-7 实 验 数 据 与 模 型 预 测 比 较 物 理 参 数 跳 跃 长 度 a 开 启 电 压 V on 在 一 定 假 设 下 被 提 取, 数 值 符 合 物 理 规 律 a) 不 同 氧 化 层 厚 度 下 RESET 时 间 与 脉 冲 电 压 关 系 ( 高 阻 态 阻 值 为 10 5 Ω)b) 不 同 高 阻 态 阻 值 下 RESET 时 间 与 脉 冲 电 压 关 系 ( 氧 化 层 厚 度 10nm) 27

35 图 3-8 表 示 的 是 Forming 电 压 与 氧 化 层 厚 度 的 关 系 [35],Forming 电 压 随 氧 化 层 厚 度 增 大 近 似 呈 现 线 性 关 系 由 于 Forming 过 程 可 以 看 做 一 个 特 殊 的 SET 过 程 (x =l), 图 中 的 实 验 数 据 验 证 了 简 化 模 型 关 于 x 与 SET 电 压 呈 线 性 关 系 假 设 同 时 利 用 Forming 过 程 的 实 验 数 据 对 公 式 4 进 行 线 性 拟 合, 可 以 得 到 x 与 SET 电 压 的 近 似 表 达 式 Forming Voltage (V) 24 Average Forming Voltage of 10 experimental data Linear Relation Thicknes of Oxide Layer (nm) 图 3-8 Forming 电 压 (10 次 实 验 平 均 值 ) 与 氧 化 层 厚 度 的 依 赖 关 系 图 3-9 表 示 高 阻 态 阻 值 与 其 所 需 SET 电 压 的 关 系, 两 者 近 似 成 指 数 关 系 [35] 根 据 隧 穿 理 论, 关 断 区 域 厚 度 x 应 与 高 阻 态 阻 值 呈 指 数 关 系, 因 此 这 项 数 据 再 次 证 明 了 模 型 假 设 :x 与 SET 电 压 有 着 线 性 依 赖 关 系 同 时, 结 合 简 化 模 型 与 图 3-9 可 以 进 一 步 预 测 给 定 脉 冲 的 RESET 过 程 所 能 达 到 的 高 阻 态 阻 值, 过 程 如 下 : i) 利 用 公 式 11 对 器 件 的 RESET 时 间 与 电 压 关 系 进 行 曲 线 拟 合, 提 取 模 型 系 数 A 1 -A 5 ;ii) 将 已 经 的 脉 冲 高 度 (V P ) 及 宽 度 (t reset ) 带 入 公 式 11, 可 计 算 得 到 式 中 仅 存 在 的 唯 一 未 知 量 x;iii) 将 计 算 所 得 的 关 断 区 域 长 度 x 带 入 公 式 4, 得 到 其 对 应 的 SET 电 压 ;iv) 利 用 图 找 到 SET 电 压 所 对 应 的 唯 一 高 阻 态 阻 值 模 型 预 测 RESET 之 后 的 高 阻 态 阻 值 与 实 际 测 量 数 据 的 对 比, 可 见 图 3-10[35] 28

36 R HRS ( ) ALD HfO x RRAM Device l=10nm Exponential Relation 10 3 Experimental data of R HRS V SET (V) 图 3-9 高 阻 态 阻 值 (R HRS ) 与 SET 电 压 的 依 赖 关 系 (l = 10nm) 10 6 R HRS ( ) 10 5 Pulse Voltage = 1V Model Pulse Voltage = 1.2V Model Pulse Voltage = 1.4V Model Pulse Width (s) 图 3-10 高 阻 态 阻 值 与 脉 冲 宽 度 对 应 关 系 的 实 验 数 据 与 模 型 预 测 对 比 29

37 简 化 模 型 中 所 包 含 的 关 键 物 理 参 数 对 器 件 性 能 的 影 响 如 下 :i)v on, 公 式 10 中 所 示 的 开 启 电 压 当 外 加 电 压 V P 达 到 V on, 氧 空 位 开 始 发 生 耗 尽,RESET 过 程 得 以 开 始 较 低 的 V on 有 利 于 提 高 开 关 速 度, 减 小 操 作 功 耗 ;ii)v L, 极 限 开 关 速 度 当 V P 达 到 V 0 之 后, 氧 空 位 完 全 耗 尽,RESET 时 间 近 似 不 变 为 达 到 更 快 的 转 换 速 度, 应 保 证 V 0 尽 可 能 大, 这 就 需 要 更 长 的 跳 跃 长 度 a 和 较 低 的 漂 移 势 垒 E m ;iii)r HRS, 高 阻 态 阻 值 为 保 证 阻 变 存 储 器 件 正 常 工 作,R HRS 应 足 够 大, 这 就 需 要 更 高 的 转 换 速 度, 较 小 的 V on 和 较 大 的 V 本 章 小 结 描 述 阻 变 存 储 器 件 阻 态 转 换 的 物 理 模 型 可 以 帮 助 人 们 更 为 清 晰 的 理 解 阻 变 机 制, 明 确 阻 变 过 程 中 的 关 键 物 理 参 数, 评 估 各 项 电 学 性 能, 提 高 器 件 可 控 性, 因 此 对 于 阻 变 存 储 器 的 实 际 应 用 具 有 重 要 指 导 作 用 本 章 主 要 介 绍 的 双 极 型 阻 变 存 储 器 RESET 过 程 的 简 化 模 型, 利 用 已 有 的 物 理 机 制 和 合 理 假 设, 对 RESET 过 程 所 需 的 开 关 时 间 及 高 阻 态 阻 值 进 行 了 简 洁 的 定 量 描 述, 所 得 结 果 与 实 验 结 果 高 度 吻 合, 并 为 提 高 器 件 性 能, 例 如 高 开 关 速 度 和 大 高 低 阻 态 窗 口, 做 出 了 理 论 指 导 在 这 个 简 化 模 型 中, 整 个 RESET 过 程 被 简 化 为 两 个 部 分 :I. 束 缚 在 电 极 内 的 氧 离 子 在 电 场 作 用 下, 输 运 至 介 质 层 中 的 氧 空 位 附 近 ;II. 耗 尽 的 氧 空 位 与 临 近 的 间 隙 氧 离 子 复 合 通 过 将 输 运 过 程 看 做 简 单 的 离 子 在 势 垒 中 的 跃 迁 运 动, 计 算 得 到 输 运 时 间, 即 公 式 5; 通 过 计 算 俘 获 截 面 增 大 的 特 点 区 域 半 径, 堆 导 了 复 合 几 率, 最 后 得 到 复 合 时 间, 即 公 式 9 最 终 将 公 式 5 与 公 式 9 相 加, 得 到 了 最 终 需 要 的 RESET 过 程 时 间 与 外 加 电 压 之 间 的 关 系 模 型 与 ALD-HfOx 器 件 所 测 数 据 在 不 同 条 件 下 进 行 了 曲 线 拟 合 与 系 数 提 取, 使 其 可 靠 性 得 到 了 验 证 简 化 模 型 可 以 提 取 的 物 理 参 数 具 有 重 要 意 义, 首 先 其 成 功 预 测 了 已 知 脉 冲 作 用 下 RESET 过 程 所 达 到 的 高 阻 态 阻 值, 为 今 后 应 用 更 为 广 泛 的 SPICE 模 型 奠 定 了 基 础 ; 其 次, 通 过 分 析 模 型 中 的 参 数, 可 以 得 到 影 响 开 关 速 度 高 低 阻 态 窗 口 大 小 操 作 功 耗 等 等 一 系 列 器 件 性 能 的 关 键 因 素, 从 而 为 器 件 实 际 应 用 提 出 了 重 要 的 理 论 指 导 30

38 第 四 章 阻 变 存 储 器 的 可 靠 性 与 耐 久 力 退 化 的 物 理 机 制 4.1 阻 变 存 储 器 的 可 靠 性 问 题 如 前 文 所 述, 阻 变 存 储 器 件 由 于 所 具 有 的 非 挥 发 性 质 快 速 的 存 储 读 取 时 间 高 密 度 集 成 度 较 低 的 操 作 电 压 以 及 低 功 耗 等 众 多 优 势, 使 得 其 有 潜 力 发 展 成 为 了 下 一 代 广 泛 应 用 的 非 挥 发 性 存 储 器 然 而 在 器 件 可 靠 性 方 面, 阻 变 存 储 器 的 诸 多 参 数 还 未 达 到 应 用 的 要 求, 需 要 进 一 步 的 研 究 突 破 因 此, 阻 变 存 储 器 的 研 究 重 点 除 了 阻 值 转 换 的 物 理 机 制 之 外, 还 有 一 个 十 分 重 要 的 部 分 是 其 可 靠 性 相 关 的 理 论 研 究, 而 耐 久 力 (endurance) 和 保 持 力 (retention) 是 其 中 最 为 重 要 的 问 题 保 持 力 是 指 在 去 除 写 操 作 电 压 作 用 的 情 况 下, 最 长 可 以 保 持 存 储 状 态 不 发 生 改 变 的 时 间, 可 分 为 高 阻 态 的 保 持 力 和 低 阻 态 的 保 持 力 对 于 非 挥 发 性 存 储 器 来 说, 即 使 是 在 85ºC 或 者 持 续 的 读 操 作 脉 冲 作 用 下, 数 据 的 保 持 时 间 也 应 在 10 年 以 上 [11] 高 阻 态 的 保 持 力 退 化 物 理 机 制 一 直 是 阻 变 存 储 器 的 研 究 热 点, 根 据 氧 离 子 输 运 复 合 模 型, 研 究 组 已 提 出 了 高 阻 态 保 持 力 的 物 理 模 型 及 优 化 方 案, 在 此 不 再 赘 述 [37] 存 储 器 的 耐 久 力 是 指 器 件 可 重 复 读 写 的 次 数, 在 阻 变 存 储 器 中 可 以 理 解 为 器 件 在 高 低 阻 态 之 间 循 环 转 换 而 不 失 效 的 最 大 读 写 周 期 由 于 实 验 上 表 现 出 的 各 种 不 同 失 效 现 象 以 及 不 为 人 知 的 退 化 机 制, 器 件 耐 久 力 特 性 现 在 成 为 了 制 约 阻 变 存 储 器 应 用 的 因 素 之 一 为 满 足 应 用 的 需 求, 未 来 非 挥 发 性 存 储 器 应 具 有 超 越 之 前 传 统 存 储 器 件 的 耐 久 力 (flash: 10 7, DRAM: )[11] 而 现 在 大 多 数 的 阻 变 存 储 器 还 没 有 达 到 这 个 要 求, 提 高 器 件 的 耐 久 力 特 性 仍 然 是 一 个 巨 大 的 挑 战 现 在 的 阻 变 存 储 器 研 究 急 需 对 耐 久 力 退 化 现 象 的 清 晰 理 解 和 相 应 优 化 操 作 模 式 的 探 索 4.2 阻 变 存 储 器 耐 久 力 退 化 的 物 理 机 制 在 之 前 的 研 究 之 中 提 到, 阻 变 存 储 器 件 的 耐 久 力 存 在 三 种 不 同 的 退 化 现 象 : 1) 高 阻 态 阻 值 下 降 的 同 时 低 阻 态 阻 值 上 升 ;2) 低 阻 态 阻 值 不 变 而 高 阻 态 阻 值 在 31

39 某 个 周 期 内 突 然 下 降 至 低 阻 值 ;3) 低 阻 态 阻 值 不 变 而 高 阻 态 阻 值 从 某 个 周 期 开 始 缓 慢 下 降 至 低 阻 值, 如 图 4-1 所 示 [38]: 32

40 图 4-1 三 种 不 同 的 器 件 耐 久 力 退 化 现 象 针 对 这 三 种 不 同 退 化 现 象 的 物 理 机 制 分 别 为 : 电 极 氧 化 导 致 的 界 面 反 应, 多 余 氧 空 位 引 起 的 RESET 失 败 以 及 氧 离 子 消 耗 造 成 的 高 阻 态 下 降 [38] 在 这 篇 文 章 之 中, 我 将 各 种 现 象 相 结 合, 进 一 步 总 结 了 耐 久 力 退 化 的 一 般 常 见 规 律, 证 明 了 SET/RESET 过 程 中 的 氧 空 位 积 累 效 应 在 不 同 的 退 化 现 象 中 所 起 到 的 关 键 作 用, 并 由 此 机 制 提 出 了 可 以 显 著 提 高 器 件 耐 久 力 的 优 化 操 作 模 式 高 低 阻 态 阻 值 窗 口 的 退 化 现 象 本 项 研 究 所 用 器 件 为 TiN/HfOx/TiOx 叠 层 结 构 的 阻 变 存 储 器, 制 备 过 程 参 见 [39] The Agilent-4156C 半 导 体 分 析 仪 和 Agilent 33250A 波 形 发 生 器 用 于 电 学 测 试 图 4-2 表 现 了 器 件 在 100 个 读 写 周 期 内 的 典 型 IV 曲 线 [40] 实 验 表 明, 器 件 的 关 键 参 数, 例 如 SET/RESET 电 压, 高 / 低 阻 态, 都 具 有 良 好 的 一 致 性 图 4-3 为 同 一 器 件 第 一 次 阻 变 和 经 历 10 5 次 阻 值 转 换 之 后 的 阻 值 分 布 对 比 [40] 在 10 5 次 高 低 阻 态 转 换 之 后, 阻 值 窗 口 虽 然 有 所 下 降, 但 一 致 性 保 持 良 好 阻 变 器 件 所 体 现 的 上 述 优 良 特 性 符 合 进 行 耐 久 力 退 化 的 研 究 所 需 的 条 件, 加 强 了 实 验 数 据 的 说 服 力 33

41 Current (A) Cycles 1st Voltage (V) 1 2 图 个 读 写 周 期 内 TiN/HfOx/TiOx 结 构 阻 变 存 储 器 件 IV 特 性 实 验 数 据 表 明, 器 件 的 SET/RESET 电 压 具 有 高 度 一 致 性 Cumulative Probability (%) Fresh Device R LRS R HRS After 10 5 Cycles R LRS R HRS Set 2V 1 s Reset -2V Resistance ( ) 图 4-3 未 进 行 阻 变 和 经 历 10 5 次 状 态 转 变 的 器 件 的 阻 值 分 布 对 比 图 虽 然 高 低 阻 态 阻 值 窗 口 有 所 下 降, 但 器 件 一 致 性 依 然 保 持 良 好 我 在 进 一 步 的 研 究 中, 通 过 大 量 实 验 数 据 发 现, 大 多 数 基 于 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 的 耐 久 力 退 化 特 性, 在 最 常 见 的 操 作 电 压 之 下, 都 与 高 阻 态 阻 值 的 下 降 相 关, 并 且 具 有 如 下 的 三 个 典 型 步 骤, 如 图 4-4:1) 在 最 初 的 个 读 写 周 期 内, 窗 口 保 持 稳 定 无 退 化 ;2) 在 个 读 写 周 期 之 内, 窗 口 缓 慢 下 降 ;3) 在

42 个 读 写 周 期 之 前, 窗 口 突 然 下 降, 器 件 失 效 [40] 整 个 过 程 相 当 于 之 前 研 究 的 不 同 退 化 现 象 中 缓 变 退 化 与 突 变 退 化 的 结 合, 这 也 启 发 我 去 找 寻 一 个 贯 穿 整 个 退 化 过 程 始 终 的, 起 到 最 为 关 键 作 用 的 物 理 机 制 Step I: Almost Stable Step II: Gradual Degradation Ratio V RESET = 2V V SET = 2V Step III: Sharp Failure Cycles 图 4-4 阻 变 存 储 器 件 耐 久 力 退 化 的 一 般 特 性 及 其 三 个 典 型 的 步 骤 氧 空 位 积 累 效 应 毫 无 疑 问, 在 阻 变 存 储 器 阻 态 转 换 的 过 程 中, 起 到 最 为 关 键 作 用 的 就 是 导 电 通 道 的 行 为 或 氧 空 位 的 积 累 或 者 消 耗 由 4.2.1, 耐 久 力 的 退 化 表 现 为 高 低 阻 态 窗 口 变 小, 特 别 是 高 阻 态 阻 值 的 下 降 那 么 根 据 第 三 章 所 介 绍 的 描 述 RESET 过 程 的 简 化 物 理 模 型 和 氧 离 子 输 运 复 合 模 型,RESET 过 程 是 由 耗 尽 的 氧 空 位 与 在 其 附 近 可 移 动 的 氧 离 子 发 生 复 合 所 导 致, 高 阻 态 阻 值 的 下 降 或 者 说 RESET 失 败 的 原 因 一 定 是 耗 尽 的 氧 空 位 复 合 不 完 全 而 导 致 导 电 通 道 无 法 完 全 关 断 通 常 来 讲, 氧 空 位 的 积 累 效 应 正 是 导 致 这 种 通 道 不 完 全 关 断 现 象 的 最 主 要 原 因 这 种 积 累 效 应 可 由 两 个 因 素 所 影 响 : 一 是 SET 过 程 中 SET 电 压 过 冲 效 应 会 产 生 多 余 的 氧 空 位 ; 二 是 RESET 过 程 中 参 与 复 合 的 氧 离 子 数 量 不 足 导 致 氧 空 位 不 充 分 复 合 具 体 来 讲, 耐 久 力 退 化 过 程 三 个 典 型 步 骤 背 后 的 物 理 机 制 可 由 图 4-5 说 明 : 在 RESET 过 程 中, 氧 空 位 的 不 充 分 复 合 会 使 SET 过 程 中 产 生 的 多 余 氧 空 位 逐 渐 积 累, 导 致 高 低 阻 态 阻 值 窗 口 的 缓 慢 降 低, 直 到 氧 空 位 积 累 到 一 定 程 度 使 得 新 的 一 35

43 条 导 电 通 道 产 生, 对 应 最 后 的 窗 口 突 变 及 器 件 失 效 [40] 图 3-5 耐 久 力 退 化 过 程 示 意 图 数 量 不 足 的 氧 离 导 致 氧 空 位 在 RESET 过 程 中 未 被 充 分 复 合, 从 而 使 步 骤 II 中 的 缓 慢 退 化 过 程 出 现 当 无 法 被 复 合 的 新 导 电 通 道 产 生 时, 步 骤 III 中 的 突 然 失 效 现 象 发 生 由 此 物 理 机 制 可 见, 抑 制 SET 过 程 中 氧 空 位 的 产 生 或 者 增 强 RESET 过 程 中 氧 空 位 的 复 合 都 可 以 提 高 器 件 的 耐 久 力, 这 正 是 后 面 4.3 所 提 到 优 化 操 作 模 式 设 计 的 出 发 点 物 理 机 制 的 实 验 验 证 图 4-6- 图 4-8 表 现 的 是 脉 冲 电 压 对 于 器 件 耐 久 力 的 影 响, 验 证 了 中 提 出 的 氧 空 位 积 累 效 应 导 致 耐 久 力 退 化 的 物 理 机 制 [40] 图 4-6 表 明, 在 相 同 SET 电 压 下, 增 大 RESET 电 压 可 提 高 器 件 耐 久 力 这 与 之 前 提 出 物 理 机 制 的 预 测 所 一 致 : 由 于 RESET 电 压 增 大, 可 以 有 更 多 的 氧 离 子 越 过 界 面 势 垒, 与 氧 空 位 进 行 复 合, 氧 空 位 积 累 效 应 被 抑 制 图 4-7 表 明, 在 相 同 RESET 电 压 下, 降 低 SET 电 压 也 会 提 高 器 件 耐 久 力 这 同 样 验 证 了 所 提 出 的 物 理 机 制 : 较 低 的 SET 电 压 有 利 于 抑 制 多 余 氧 空 位 的 产 生, 从 而 使 得 氧 空 位 的 积 累 不 易 发 生 脉 冲 电 压 对 于 退 化 速 率 的 影 响, 如 图 4-8 所 示 高 RESET 电 压 和 低 SET 电 压 抑 制 了 氧 空 位 积 累 效 率, 对 应 更 慢 的 退 化 速 率, 符 合 物 理 机 制 的 预 期 36

44 10 3 Ratio V SET = 2V V RESET = 2.2V V RESET = 2V V RESET = 1.8V Cycles 图 4-6 RESET 电 压 大 小 对 于 器 件 耐 久 力 影 响 10 3 Ratio V RESET = 2V V SET = 1.8V V SET = 2V V SET = 2.2V Cycles 图 4-7 器 件 耐 久 力 与 SET 电 压 的 关 系 37

45 SET Voltage (V) V RESET = 2V V SET = 2V Degradation Rate 图 4-8 退 化 速 率 与 RESET/SET 电 压 关 系 RESET Voltage (V) 4.3 优 化 操 作 模 式 根 据 4.2 所 提 到 的 物 理 机 制, 抑 制 氧 空 位 在 SET/RESET 过 程 中 的 积 累 效 应 可 以 提 高 器 件 的 耐 久 力 具 有 较 大 上 升 时 间 的 脉 冲 有 利 于 减 弱 SET 过 程 中 的 电 压 过 冲, 抑 制 多 余 氧 空 位 的 产 生 ; 而 具 有 较 大 下 降 时 间 的 脉 冲 有 利 于 减 小 数 目 有 限 的 氧 离 子 在 RESET 过 程 中 的 消 耗 ( 当 电 压 变 化 较 缓 时, 在 已 达 到 所 需 的 RESET 电 压 的 情 况 下, 多 余 的 电 压 就 会 分 布 在 导 电 通 道 已 经 断 开 的 部 分 上, 不 会 抽 取 电 极 中 更 多 氧 离 子 ) 因 此 同 时 具 有 较 大 上 升 及 下 降 时 间 的 脉 冲, 例 如 三 角 波 正 弦 波 等 等, 可 以 作 为 提 高 器 件 耐 久 力 的 优 化 操 作 波 形 图 4-9 表 示, 在 相 同 SET 电 压 下, 使 用 不 同 RESET 电 压 的 三 角 波 作 为 操 作 电 压, 对 相 同 器 件 耐 久 力 的 影 响 [40] 在 较 大 的 RESET 电 压 下, 使 用 三 角 波 作 的 器 件 耐 久 力 可 达 10 8 以 上, 较 之 前 的 10 6 有 数 量 级 的 提 高 图 4-10 表 示 使 用 相 同 幅 度 不 同 周 期 的 正 弦 波 作 为 操 作 电 压, 对 器 件 耐 久 力 的 影 响 [40] 周 期 更 长 的 正 弦 波 对 应 更 大 的 器 件 耐 久 力, 验 证 了 之 前 较 大 的 上 升 及 下 降 时 间 利 于 抑 制 氧 空 位 积 累 效 应 从 而 提 高 器 件 耐 久 力 的 分 析 38

46 10 2 Ratio V SET = 2.2V V RESET = 2V V RESET = 2.2V V RESET = 2.4V Cycles 图 4-9 不 同 RESET 电 压 的 三 角 波 对 于 器 件 耐 久 力 的 影 响 在 高 RESET 电 压 情 况 下, 器 件 耐 久 力 较 之 前 有 了 数 量 级 的 提 升 ( 大 于 10 8 ) 10 3 Ratio Sin Wave Period=40ns Period=200ns Period=2us Cycles 图 4-10 不 同 周 期 的 正 弦 波 对 于 器 件 耐 久 力 的 影 响, 更 快 的 脉 冲 对 应 更 低 的 耐 久 力 图 4-11 比 较 了 三 种 不 同 的 操 作 模 式 对 于 器 件 耐 久 力 的 影 响 [40] 这 三 种 操 作 模 式 对 应 波 形 的 特 征 分 别 为 :I. 较 长 的 上 升 时 间 和 较 短 的 下 降 时 间 ;II. 较 短 的 上 升 时 间 和 较 长 的 下 降 时 间 ;III. 较 长 的 上 升 / 下 降 时 间 根 据 实 验 数 据, 使 用 模 式 III 的 器 件 其 耐 久 力 可 达 10 8 以 上, 再 次 验 证 了 该 操 作 模 式 对 于 器 件 可 靠 性 的 39

47 改 善 作 用 同 时, 操 作 模 式 II 对 应 的 耐 久 力 低 于 模 式 I 的, 说 明 使 用 较 长 的 上 升 时 间 与 使 用 较 长 的 下 降 时 间 相 比, 对 于 器 件 耐 久 力 的 改 善 作 用 更 为 明 显 即 SET 过 程 的 电 压 过 冲 对 应 的 多 余 氧 空 位 产 生 过 程 在 氧 空 位 积 累 效 应 中 占 据 主 导 地 位 10 2 (b) Ratio Mode I Mode II Mode III Cycles 图 4-11 具 有 不 同 上 升 / 下 降 时 间 的 操 作 模 式 对 于 器 件 耐 久 力 的 影 响 a) 三 种 操 作 模 式 波 形 示 意 图 ;b) 不 同 操 作 模 式 下 的 耐 久 力 退 化 行 为, 模 式 III 具 有 最 高 的 耐 久 力 4.4 本 章 小 结 基 于 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 表 现 出 来 的 众 多 优 点 使 得 其 成 为 了 研 究 的 热 门 然 而 在 众 多 涉 及 到 其 可 靠 性 的 问 题 阻 碍 着 其 发 展 应 用 的 时 候, 为 了 能 够 推 进 器 件 的 40

48 进 一 步 应 用, 一 些 关 于 其 可 靠 性 物 理 机 制 及 改 进 措 施 的 研 究 就 应 运 而 生 本 章 主 要 介 绍 的 是 其 中 最 主 要 的 问 题 之 一 : 耐 久 力 的 退 化 由 本 小 组 之 前 研 究 的 阻 变 存 储 器 件 耐 久 力 退 化 问 题, 从 实 验 数 据 出 发, 总 结 与 归 纳 了 不 同 类 型 的 退 化 现 象, 并 给 出 了 物 理 上 的 起 源 在 进 一 步 的 研 究 中, 根 据 大 量 的 实 验 数 据, 可 以 将 各 种 退 化 现 象 化 特 殊 为 一 般, 总 结 了 一 般 性 的 退 化 规 律, 即 三 个 典 型 步 骤 : 稳 定 不 变, 缓 变 及 突 变 利 用 RESET 过 程 的 简 化 物 理 模 型 和 氧 离 子 输 运 复 合 模 型, 可 以 发 现 氧 空 位 积 累 效 应 在 整 个 退 化 过 程 中 的 主 导 作 用, 并 由 此 提 出 了 与 氧 空 位 积 累 效 应 相 关 的 物 理 机 制 其 主 要 内 容 包 括 两 个 方 面 : SET 过 程 中 的 多 余 氧 空 位 产 生 和 RESET 过 程 中 氧 空 位 的 不 充 分 复 合 而 且, 通 过 不 同 脉 冲 电 压 对 于 器 件 耐 久 力 影 响 的 实 验, 该 机 制 的 可 靠 性 得 到 了 验 证 在 这 个 物 理 机 制 的 基 础 上, 我 们 可 以 发 现, 抑 制 氧 空 位 积 累 效 应 可 以 提 高 器 件 耐 久 力 具 体 的 优 化 操 作 模 式 可 以 利 用 较 大 的 上 升 / 下 降 时 间, 分 别 影 响 氧 空 位 的 产 生 与 复 合 两 个 过 程, 从 而 提 高 耐 久 力 在 实 验 上 已 经 证 明, 这 种 操 作 模 式 可 以 将 同 一 器 件 的 耐 久 力 由 原 来 的 10 6 提 高 至

49 第 五 章 全 文 总 结 5.1 论 文 的 主 要 内 容 本 论 文 针 对 目 前 集 成 电 路 领 域 的 一 个 热 点 课 题 基 于 过 渡 性 金 属 氧 化 物 的 非 挥 发 性 阻 变 存 储 器 (TMO-RRAM), 进 行 了 研 究 本 文 主 要 以 被 广 泛 接 受 的 导 电 通 道 理 论 和 氧 离 子 输 运 复 合 模 型 为 基 础, 针 对 阻 变 器 件 的 低 高 阻 转 换 过 程 (RESET) 器 件 可 靠 性 相 关 的 耐 久 力 退 化 等 重 要 问 题 进 行 了 细 致 的 分 析, 并 利 用 合 理 假 设 提 出 简 化 模 型 对 阻 变 行 为 进 行 了 定 量 描 述, 通 过 与 实 验 结 果 的 拟 合 对 其 进 行 验 证, 最 终 给 出 了 提 高 器 件 性 能 的 解 决 方 案 具 体 来 说, 主 要 内 容 如 下 : 1 第 一 二 章 中 回 顾 了 存 储 器 发 展 的 历 史 和 现 状, 并 简 要 概 述 了 基 于 过 渡 性 金 属 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 件 的 结 构 特 性 以 及 阻 态 转 换 的 物 理 机 制, 同 时 也 提 出 了 制 约 其 发 展 与 应 用 的 因 素, 引 出 了 本 文 的 主 要 研 究 内 容, 说 明 了 本 文 工 作 的 理 论 基 础 2 目 前 在 关 于 阻 变 存 储 器 的 研 究 之 中 最 为 重 要 的 方 面 是 对 其 阻 变 物 理 机 制 的 分 析 以 及 相 应 模 型 的 建 立 虽 然 人 们 已 经 提 出 了 许 多 描 述 双 极 型 阻 变 存 储 器 的 阻 变 行 为 的 物 理 模 型, 但 很 少 有 模 型 可 以 用 简 洁 的 解 析 表 达 式 定 量 的 描 述 其 阻 变 特 性, 特 别 是 RESET 过 程 本 文 利 用 之 前 提 出 的 阻 变 机 制, 分 析 了 影 响 RESET 过 程 的 两 个 最 主 要 因 素 : 氧 离 子 的 输 运 与 氧 空 位 的 复 合, 提 出 了 计 算 RESET 时 间 与 电 压 依 赖 关 系 的 解 析 表 达 式, 并 成 功 提 取 了 具 有 物 理 意 义 的 模 型 参 数, 对 器 件 的 转 变 特 性 和 阻 变 行 为 ( 特 别 是 高 阻 态 阻 值 ) 进 行 了 预 测 对 比 实 验 的 测 量, 该 模 型 可 以 很 好 的 拟 合 实 际 数 据, 所 提 出 的 物 理 假 设 也 得 到 了 证 明, 验 证 了 该 模 型 所 做 预 测 的 可 靠 性 最 后, 基 于 此 简 化 模 型, 本 文 具 体 分 析 了 影 响 开 关 速 度 高 低 阻 态 窗 口 大 小 操 作 功 耗 等 等 一 系 列 器 件 性 能 的 关 键 因 素 3 阻 变 存 储 器 的 研 究 重 点 除 了 阻 值 转 换 的 物 理 机 制 之 外, 还 有 一 个 十 分 重 要 的 部 分 是 其 可 靠 性 相 关 的 理 论 研 究, 而 耐 久 力 (endurance) 是 其 中 最 为 核 心 的 问 题 之 一 通 过 大 量 实 验 数 据, 本 文 总 结 了 一 般 性 的 耐 久 力 退 化 规 律, 包 括 三 个 典 型 步 骤 : 稳 定 不 变, 缓 变 及 突 变 利 用 第 三 章 提 到 的 RESET 过 程 的 简 化 物 理 模 型, 发 现 了 氧 空 位 积 累 效 应 在 整 个 退 化 过 程 中 的 主 导 作 用 本 文 以 此 为 出 发 42

50 点, 提 出 了 与 氧 空 位 积 累 效 应 相 关 的 物 理 机 制 其 主 要 内 容 包 括 两 个 方 面 :SET 过 程 中 的 多 余 氧 空 位 产 生 和 RESET 过 程 中 氧 空 位 的 不 充 分 复 合 而 且, 通 过 不 同 脉 冲 电 压 对 于 器 件 耐 久 力 影 响 的 实 验, 该 机 制 的 可 靠 性 得 到 了 验 证 基 于 与 氧 空 位 积 累 效 应 相 关 的 退 化 机 制, 本 文 进 一 步 提 出 了 改 善 器 件 耐 久 力 特 性 的 优 化 操 作 模 式, 使 得 器 件 性 能 得 到 了 数 量 级 上 的 提 高 5.2 论 文 主 要 创 新 点 阻 变 存 储 器 件 作 为 目 前 集 成 电 路 领 域 研 究 的 热 门 课 题 之 一, 具 有 低 操 作 电 压 高 集 成 度 高 转 变 速 率 低 功 耗 按 比 例 减 小 的 巨 大 潜 力 等 众 多 优 势 但 是 由 于 缺 乏 简 化 的 解 析 模 型 和 关 于 可 靠 性 退 化 的 清 晰 物 理 机 制, 阻 变 存 储 器 的 发 展 和 应 用 受 到 了 一 定 程 度 的 阻 碍 在 研 究 基 于 氧 化 物 的 双 极 型 阻 变 器 件 RESET 过 程 时, 本 文 不 仅 仅 是 从 将 RESET 过 程 分 成 了 两 个 主 要 部 分 分 别 进 行 计 算, 更 创 新 的 引 入 了 外 加 电 压 对 氧 空 位 耗 尽 的 影 响, 定 义 了 俘 获 截 面 急 剧 增 大 的 复 合 区 域, 成 功 的 计 算 了 与 时 间 相 关 的 复 合 概 率 及 RESET 时 间, 首 次 提 出 了 一 个 完 整 描 述 RESET 过 程 的 简 化 解 析 模 型, 并 通 过 拟 合 实 验 数 据 验 证 了 其 可 靠 性 利 用 该 简 化 模 型, 成 功 预 测 了 脉 冲 作 用 下 的 RESET 得 到 的 高 阻 态 阻 值, 解 决 了 阻 变 存 储 器 的 研 究 中 一 个 受 到 广 泛 关 注 的 问 题, 并 未 来 的 电 路 模 型 工 作 奠 定 了 基 础 在 耐 久 力 退 化 的 研 究 中, 本 文 结 合 之 前 所 提 出 的 不 同 类 型 的 退 化 现 象, 从 实 验 出 发, 首 次 总 结 归 纳 了 耐 久 力 退 化 的 一 般 规 律, 并 引 入 了 SET/RESET 过 程 中 的 氧 空 位 积 累 效 应 对 高 低 阻 态 阻 值 窗 口 下 降 的 影 响, 成 功 解 释 了 退 化 过 程 中 的 三 个 典 型 步 骤 最 后, 创 新 性 的 研 究 了 具 有 不 同 上 升 / 下 降 时 间 的 不 同 波 形 对 于 器 件 耐 久 力 的 影 响, 总 结 了 不 同 操 作 模 式 的 优 化 作 用, 将 器 件 性 能 提 高 了 至 少 一 个 数 量 级, 并 进 一 步 验 证 了 所 提 出 的 物 理 机 制 5.3 未 来 的 工 作 对 于 基 于 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 件, 目 前 仍 然 存 在 着 不 少 问 题 亟 待 解 决 就 本 文 讨 论 相 关 的 问 题 而 言, 下 一 步 还 需 要 进 行 以 下 工 作 : 43

51 1 进 一 步 利 用 RESET 简 化 模 型 的 研 究 结 果, 定 量 描 述 阻 变 过 程 中 的 其 他 关 键 参 数 现 已 得 到 RESET 时 间 和 RESET 电 压 的 依 赖 关 系, 并 通 过 数 值 计 算, 预 测 了 给 定 脉 冲 RESET 后 的 高 阻 态 阻 值 然 而, 高 阻 态 阻 值 与 RESET 时 间 电 压 的 解 析 表 达 式 还 没 有 给 出 对 此, 有 两 个 思 路 可 以 考 虑 :i) 拟 合 实 验 所 测 的 SET 电 压 与 相 应 高 阻 态 阻 值 的 关 系, 得 到 解 析 表 达 式, 并 将 关 断 区 域 长 度 x 与 SET 电 压 的 线 性 关 系 代 入 其 中, 得 到 高 阻 态 阻 值 与 x 的 依 赖 关 系 将 此 关 系 代 入 到 公 式 10 中, 整 理 得 到 高 阻 态 阻 值 与 RESET 时 间 电 压 的 解 析 表 达 式 ii) 利 用 其 它 合 理 的 物 理 假 设 简 化 问 题, 例 如 简 单 的 串 联 电 阻 模 型 来 描 述 导 电 通 道 利 用 简 化 模 型 给 出 的 输 运 与 复 合 时 间 的 表 达 式, 得 到 电 阻 变 化 与 时 间 的 微 分 关 系, 从 而 得 到 高 阻 态 阻 值 的 解 析 表 达 式 2 进 一 步 拓 展 RESET 简 化 模 型, 尝 试 利 用 类 似 物 理 假 设 去 描 述 SET 过 程, 最 终 得 到 导 电 通 道 形 貌 的 表 达 式 这 个 模 型 的 重 要 意 义 是, 基 于 氧 化 物 的 阻 变 存 储 器 件 的 核 心 就 是 导 电 通 道 形 貌 变 化 可 以 通 过 此 模 型, 用 与 材 料 和 操 作 模 式 相 关 的 物 理 参 数 描 述 各 项 关 键 性 能, 包 括 开 关 速 度, 高 低 阻 态 阻 值 和 可 靠 性 参 数 等 等, 统 一 之 前 的 各 种 定 性 的 研 究 成 果, 对 提 高 器 件 性 能 提 供 重 要 理 论 指 导 具 体 来 说, 描 述 导 电 通 道 可 以 使 用 以 下 几 个 参 数 : 长 度 l 宽 度 w 和 数 目 n, 模 型 参 数 应 该 包 括 : 操 作 电 压 时 间 各 项 材 料 参 数 ( 例 如 跳 跃 长 度 漂 移 势 垒 氧 空 位 生 成 能 等 等 ) 因 为 导 电 通 道 的 形 貌 与 SET/RESET 之 前 的 历 史 形 貌 直 接 相 关, 可 以 考 虑 的 计 算 方 法 是 叠 加 累 乘 的 方 式 RESET 过 程 可 以 直 接 根 据 本 文 中 的 RESET 简 化 模 型, 得 到 导 电 通 道 变 细 或 变 短 的 速 度 表 达 式 SET 过 程 可 以 使 用 类 似 的 模 型, 得 到 不 同 区 域 氧 空 位 产 生 概 率, 推 导 含 时 间 的 解 析 表 达 式 最 后 将 这 两 部 分 相 结 合, 得 出 给 定 操 作 模 式 下 的 导 电 通 道 形 貌 随 操 作 次 数 变 化 的 解 析 表 达 式 44

52 附 录 本 科 期 间 所 发 表 的 论 文 Y. Lu, B. Gao, Y.H. Fu, B. Chen, L. F. Liu, X. Y. Liu, J. F. Kang, A Simplified Model for RESET Behavior of Oxide Based Resistive Switching Memory Devices, IEEE Electron Device Letters, Vol. 33, Issue: 3, p , March 2012 B. Chen, Y. Lu, et al, Physical Mechanisms of Endurance Degradation in TMO-RRAM, Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. 2011, pp Y. Lu, B. Chen, B. Gao, Z. Fang, Y.H. Fu, J. Q. Yang, L.F. Liu, X.Y. Liu, H.Y.Yu, J.F. Kang, Improvement of Endurance Degradation for Oxide Based Resistive Switching Memory Devices Correlated with Oxygen Vacancy Accumulation Effect, accepted for poster presentation by 2012 IEEE International Reliability and Physics Symposium 45

53 参 考 文 献 [1] 窦 振 中, 存 储 器 技 术 的 发 展 及 趋 势, 电 子 计 算 机 与 外 部 设 备,1997 第 21 卷 第 3 期 [2] 潘 立 阳, 朱 钧, Flash 存 储 器 技 术 与 发 展, 微 电 子 学, 第 32 卷 第 1 期,2002 年 2 月 [3] Roberto Bez, Overview of advanced Non-Volatile Memory Technology, page 6, 10th IEEE international conference on ICSICT, Nov [4] Christina Rohde, Byung Joon Choi, Doo Seok Jeong, Seol Choi, Jin-Shi Zhao, and Cheol Seong Hwang, Identification of a determining parameter for resistive switching of TiO2 thin films, Appl. Phys. Lett. 86, , 2005 [5] S. Seo, M. J. Lee, D. H. Seo, S. K. Choi, D.-S. Suh, Y. S. Joung, I. K. Yoo, I. S. Byun, I. R. Hwang, S. H. Kim, B. H. Park, Conductivity switching characteristics and reset currents in NiO films, Appl. Phys. Lett. 86, , 2005 [6] Chih-Yang Lin, Chen-Yu Wu, Chung-Yi Wu, Tzyh-Cheang Lee, Fu-Liang Yang, Chenming Hu, Tseung-Yuen Tseng, Effect of Top Electrode Material on Resistive Switching Properties of ZrO2 Film Memory Devices Electron Device Letters, IEEE, 28, 5, , 2007 [7] T. W. Hickmott, Low-frequency negative resistance in thin anodic oxide films, J. Appl. Phys, vol.33, 2669, 1962 [8] J. F. Gibbons and W. E. Beadle, Switching properties of thin NIO films, Solid-State Electron, vol.7, no.11, pp , 1964 [9] G. Dearnale, A. M. Stoneham, and D. V. Morgan, Electrical phenomena in amorphous oxide films, Rep. Progr. Phys, vol.33, 1129, 1970 [10] G. Baek, M. S. Lee, S. Seo, M. J. Lee, D. H. Seo, D.-S. Suh, J. C. Park, S. O. Park, H. S. Kim, I. K. Yoo, U.-In. Chung, and J. T. Moon, Highly scalable nonvolatile resistive memory using simple binary oxide driven by asymmetric unipolar voltage pulses,in Tech. Dig. IEEE Int. Electron Devices Meeting, 2004, pp [11] Rainer Waser, Regina Dittmann, Georgi Staikov, and Kristof Szot, Redox-Based Resistive Switching Memories Nanoionic Mechanisms, Prospects, and Challenges, Advanced Materials 21, 25-26, , 2009 [12] Rainer Waser, Masakazu Aono, Nanoionics-based resistive switching memories, Nature Materials 6, , 2007 [13] H.-S. Philip Wong, HengYuan Lee, Shimeng Yu, YuSheng Chen, Yi Wu, Pang Shiu Chen, Byoungil Lee, Frederick T. Chen, and Ming-Jinn Tsai, Metal-Oxide RRAM, Proceedings of the IEEE, Vol. 100, No.6, June 2012 [14] Y. M. Kim and J. S. Lee, Reproducible resistance switching characteristics of hafnium oxide-based nonvolatile memory devices, J. Appl. Phys., vol. 104, pp. 46