基于柱状晶氧化物薄膜的自形成阻变效应研究

The Flash memory, which is currently dominating the market of nonvolatile memory, will face severe charge leakage issues beyond the 32 nm CMOS technology. In this respect, the resistive random access memory (RRAM) attracts considerable attention. In this project, we propose a novel stack RRAM device structure containing columnar polycrystalline oxide films and metal buffer layer to eliminate initial filament forming process. A forming process is generally required to initialize the switching behavior, which might add complexity to the RRAM circuit operation due to high voltage needed for forming. Through theoritical caculation based on Arrhenius law and actual experiment results, important device structure parameters, including material type, mircrostructure and thickness of metal oxide film/metal buffer layer/top electrode, will be obtained. Resistance switching behavior of RRAM devices having different matrials, structures and operation modes and its potential in-depth physical mechanism will be investigated by theorical analysis, experiments and andvanced characterizaion techniques. RRAM devices using novel structure might have following advantages: reduced randomicity of filament forming and rupture, diminished or eliminated initial forming voltage, improved uniformity of device parameters, increased process control ability and device yield. Improvement of nonvolatile memory performances of forming-free devices is desired to meet the requirements of commercial product.

当集成电路加工工艺发展到32nm以下时，当今主流的Flash非易失存储技术将遇到隧穿氧化层过薄而导致的严重电荷泄露问题。本项目开展基于非电荷存储机制的阻性存储器研究，以消除器件导电细丝初始形成过程为目标，提出的新型RRAM器件结构，采用柱状晶薄膜和金属缓冲层叠层结构，通过Arrhenius定律进行理论计算并结合流片实验确定优化的金属氧化物薄膜、金属缓冲层及顶层电极的材料类型、微结构与厚度，提出的器件结构尚未发现文献报道。通过理论分析、流片实验及测试表征获取过渡金属氧化物基RRAM在不同材料、结构及各种工作模式下电阻转变特性和电阻存储效应的物理机制。提出的新型器件结构预期可以降低导电细丝形成和断裂的随机性，降低/消除导电细丝初始形成电压，提高器件工作参数的均匀性、工艺加工的可控性和成品率，增加器件等比例缩小的可能性。本项目的顺利开展对于我国下一代非易失存储器的开发具有重要的理论指导意义。

当集成电路加工工艺发展到32nm以下时，当今主流的Flash非易失存储技术将遇到隧穿氧化层过薄而导致的严重电荷泄露问题。面对传统浮栅Flash的技术瓶颈对存储器市场的影响，进一步实现更高速度、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。. 本项目开展基于非电荷存储机制的阻变存储器（RRAM）研究，建立了包含离子迁移模型、电传导模型和焦耳热模型在内的氧空位导电RRAM器件电-热耦合模型，分析了温度、导电细丝尺寸、电极材料热导率和电导率等对器件转变过程的影响。通过理论分析、流片实验及测试表征获取了ZrO2、HfO2、SiOx等多种介质材料、结构及各种工作模式下过渡金属氧化物基RRAM的电阻转变特性和电阻存储效应的物理机制。在完成机理和模型研究基础上，开展大量实验工作进行工艺参数的优化，有效降低了器件的电流过冲问题，制备出性能良好的TiO2和HfO2 RRAM器件。在上述研究工作基础上，本项目开展了Ti/Al2O3/Si3N4/Au叠层结构RRAM器件研究，所制备的叠层结构器件具有较低通道形成电压和SET/RESET 转换电压，器件转换电压的一致性较好。通过优化SiNx薄膜的化学配比，成功制备出性能优良的通道自形成RRAM器件，使得存储器外围电路不需要使用额外的高电压源，降低了外围电路的设计复杂度。. 本项目的顺利开展对于我国下一代非易失存储器的开发具有重要的理论指导意义。