金屬氧化物阻變機理及器件研究.pdf

1、金屬氧化物中的阻變現(xiàn)象是當前固體物理研究領(lǐng)域受到人們廣泛研究的前沿性基礎(chǔ)課題,表現(xiàn)為金屬氧化物介質(zhì)材料在外電場控制下發(fā)生的不同電阻態(tài)之間的可逆變化,這種變化的電阻態(tài)在電場撤銷后仍然能夠保持。對阻變現(xiàn)象的研究不但有利于深入理解固體物理的相關(guān)理論,還可以將其應用于信息數(shù)據(jù)存儲等技術(shù)領(lǐng)域?；谧枳儸F(xiàn)象的電子器件(稱為阻變器件)顯示出了巨大的實用價值,是當前微電子領(lǐng)域的研究熱點。其中,阻變存儲器相對于傳統(tǒng)電荷型存儲器具有明顯的優(yōu)勢,例如可以同時

2、兼?zhèn)浼{秒量級的讀寫速度,低操作電壓,非揮發(fā)多值數(shù)據(jù)存儲,以及更好的尺寸縮小能力,因此被認為是最有希望的新型存儲技術(shù)之一。此外,基于阻變現(xiàn)象的憶阻器被認為是第四種基本電路元件,基于阻變現(xiàn)象的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)可以實現(xiàn)高效并行運算,能夠用于實現(xiàn)多種復雜的邏輯運算功能。
　　在不同的應用需求下,阻變器件的研究和應用還面臨著一系列重大的挑戰(zhàn):首先是一些關(guān)鍵的科學問題需要澄清和解決,如金屬氧化物阻變現(xiàn)象的微觀物理機理尚不清楚,這使得人們對影響阻變

3、器件特性的本征與非本征因素及其物理效應、技術(shù)發(fā)展的局限性和有效解決途徑難以鑒別和評估。其次,目前器件性能還無法滿足技術(shù)發(fā)展和應用的需求,尤其在關(guān)鍵的阻變特性,如均一性、操作電流、可靠性、多態(tài)阻變能力等方面仍有待進一步優(yōu)化。此外,阻變器件的材料,結(jié)構(gòu),工藝制備和集成制備技術(shù)還不成熟,在存儲器陣列和邏輯功能電路中的應用前景和技術(shù)限制仍有待評估。
　　本論文針對阻變器件技術(shù)發(fā)展的需求及所面臨的關(guān)鍵科學與技術(shù)問題,在阻變現(xiàn)象的微觀物理機制

4、、阻變特性的模型模擬、阻變器件性能的優(yōu)化設(shè)計、阻變器件的實現(xiàn)與制備工藝、存儲器集成技術(shù)解決方案、以及阻變器件在邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡方面的應用展開了系統(tǒng)的研究,主要研究工作和所取得的創(chuàng)新研究成果包括:1.在國際上首次提出關(guān)于金屬氧化物阻變效應的統(tǒng)一機制,闡明了金屬氧化物
　　阻變器件中發(fā)生單、雙極阻變的微觀物理起源。其中forming和SET過程是由電場與熱效應誘導的氧空位生成過程導致的;RESET過程是由氧離子輸運及其與無電子占據(jù)(電子

5、耗盡)的荷電氧空位復合過程導致的。單雙極阻變的不同點僅在于RESET過程中的提供與荷電氧空位復合的氧離子的來源和釋放方式不同。該機制以統(tǒng)一的物理效應和觀點闡明單、雙極阻變的微觀起源,很好的解釋了金屬氧化物阻變器件中所觀測到的各種現(xiàn)象,與之前所提的阻變機制不同,本機制重點突出了可動氧離子的作用,同時首次指出了氧離子與氧空位的復合是由電場作用下的氧空位電子耗盡效應決定。
　　2.基于所提出的微觀物理機制,在考慮氧空位體系的電子輸運,氧

6、空位的產(chǎn)生與復合,氧離子的釋放與輸運等關(guān)鍵過程的基礎(chǔ)上,建立了可以定量表征跳躍電流大小、氧空位電子占有率、阻變速度與外加電壓的關(guān)系、耐久性的退化,數(shù)據(jù)保持失效等阻變過程中相關(guān)物理效應及阻變器件關(guān)鍵性能參數(shù)的模型。以此為基礎(chǔ),進一步發(fā)展了關(guān)于阻變過程的原子級隨機模擬方法,可以模擬得到不同阻態(tài)下氧空位的微觀分布特征及其關(guān)聯(lián)的電學性質(zhì)。
　　3.在深入認識阻變效應物理機制的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計創(chuàng)新性實驗,驗證了所提機制和模型的正確性與有效性

7、。所設(shè)計與實現(xiàn)的實驗主要包括:電流機制的交流分析、氧離子狀態(tài)及輸運的表征、阻變過程瞬態(tài)電流的測量與分析,電壓與阻態(tài)關(guān)系的測量,阻變速度-電壓定律驗證,數(shù)據(jù)保持失效現(xiàn)象的統(tǒng)計測量、電流掃描方法對 I-V特性的研究等。上述實驗結(jié)果,不但驗證了所提出的機制和模型,而且加深了對阻變現(xiàn)象物理本質(zhì)的理解和掌握。
　　4.提出了阻變器件特性優(yōu)化的設(shè)計方法,從器件材料和操作模式的優(yōu)化選擇兩個角度,對阻變器件特性的設(shè)計與性能改善方案做出指導性的建議

8、。通過設(shè)計適量摻雜的阻變氧化層,電極材料以及界面層,同時引入電流掃描和優(yōu)化的脈沖操作模式,成功制備并測量實現(xiàn)了具有高性能的阻變器件,在多阻態(tài)控制、阻變特性均一性、多阻態(tài)開關(guān)耐久性與數(shù)值存儲保持時間,以及抗讀干擾能力等性能指標方面,均達到當時國際最優(yōu)水平。
　　5.設(shè)計并制備了適用于高密度集成的自整流阻變存儲單元。在國際上首次提出了可以實現(xiàn)極高密度集成的三維選擇交叉陣列阻變存儲器結(jié)構(gòu),包括新型垂直環(huán)繞阻變存儲器陣列結(jié)構(gòu),以及垂直選通

9、晶體管陣列。通過新型三維選擇操作模式,在三維陣列中實現(xiàn)對任意單元的隨機訪問。合作制備了垂直環(huán)繞阻變存儲器陣列,實現(xiàn)了5 nm的電極尺寸,小于50μA的電流,小于3 V的脈沖轉(zhuǎn)變電壓,100倍以上的阻值窗口,大于108的耐久性,正負1.5 V的抗讀干擾能力,120 oC時大于105 s的數(shù)據(jù)保持力,以及自整流特性。模擬顯示,所提出的新三維陣列相對傳統(tǒng)二維陣列具有更高的集成度和更低的生產(chǎn)成本,在大規(guī)模非揮發(fā)存儲器技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛而重要的實用

10、價值。
　　6.提出并設(shè)計了基于阻變器件的新型邏輯與神經(jīng)功能器件,通過實驗和模擬證明了基于阻變器件的多值非揮發(fā)邏輯器件和神經(jīng)突觸器件的可行性。實驗演示了利用多值非揮發(fā)邏輯器件實現(xiàn)的四進制加法功能。實驗證明了基于優(yōu)化設(shè)計的阻變神經(jīng)突觸器件可以實現(xiàn)小于1 pJ的功耗,以此可用于神經(jīng)網(wǎng)絡中。模擬演示了利用神經(jīng)突觸陣列實現(xiàn)的視覺識別功能。
　　論文所取得的研究結(jié)果對闡明阻變現(xiàn)象的物理本質(zhì)、定量表征阻變器件性能特征、優(yōu)化器件特性、推動