【正文】 結果進行分析得知，氧空位所對應的電子占有率對氧空位產生和復合起著決定性作用。而材料中形成的氧空位通道對導電具有主導作用。從電子占有率隨電壓的變化趨勢計算結果來看，由于陰極附近的氧空位電子占有率變化趨勢較大，在阻變過程中首先同氧離子復合的幾率較高?？梢杂纱送茢啵帢O的氧空位產生與復合對導電通道的形成和斷裂起著至關重要的作用。 氧空位所對應的電子占有率對氧空位產生和復合有很大的影響。從電子占有率隨電壓的變化趨勢計算結果來看，陰極附近的氧空位對阻變存儲結構的導通和阻變過程有控制作用。根據(jù)低電子密度區(qū)域的分布，當VCM原理RRAM發(fā)生低阻態(tài)向高阻態(tài)轉變的Reset過程時，導電細絲在陰極斷裂的概率更大。第五章 Cu/VOx/W結構阻變存儲器的制備和表征第五章 Cu/VOx/W結構阻變存儲器的制備與表征通過前面的建模分析可以看出，過渡金屬氧化物功能層的阻變存儲器件的阻變原理是基于局域性的導電細絲的。在本章中，為了同仿真結果進行對比討論，驗證建模仿真工作的準確性，制備了Si襯底上的W/VOx/Cu結構，從而以實驗與建模仿真結合的方式對阻變存儲器存儲機理進行了更深的探索。 VOx阻變器件的制備實驗中采用由中國科學院沈陽科學儀器研制中心有限公司生產的K08052多功能磁控與離子束聯(lián)合濺射沉積系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由磁控濺射室、磁控濺射靶、直流電源、射頻電源、樣品加熱轉臺（可選）、泵抽系統(tǒng)、真空測量系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和微機控制鍍層系統(tǒng)組成。靶材采用V2O5陶瓷靶，%的氬氣作為工作氣體，%的氧氣分別作為反應氣體。為了讓下電極Cu在SiO2上可以更加牢固的附著，所以在硅片表面長一層粘附層，采用Ti材料用離子束濺射制備粘附層，本底真空度控制在104 Pa以下,102Pa，生長速率：23埃/分鐘，厚度均為5nm。在制備好的Ti膜上采用磁控濺射制備Cu電極作為上下電極。 制備氧化釩薄膜的工藝參數(shù)沉積條件參數(shù)工作壓強1 Pa襯底溫度250350℃沉積時間60minO2/(O2+Ar)20%濺射功率100W濺射方法射頻磁控濺射靶材V2O5 陶瓷靶 所制備的基于VOx功能層阻變器件結構示意圖對所制備的氧化釩薄膜器件用Agilent B1500半導體參數(shù)分析儀進行電學參數(shù)分析和測試?；緜渲冒?個源/監(jiān)視單元（SMU）、2個電壓監(jiān)視單元（VMU）和2個電壓源單元（VSU）。提供EasyExpert軟件，該軟件可以提供半導體參數(shù)儀的測量設置、SMU等模塊的驅動以及對外置儀表如LCR表、示波器、脈沖發(fā)生器和開關矩陣等的控制。還具有測試數(shù)據(jù)列表、繪圖等分析功能。本次試驗主要使用I/V掃描功能，對半導體器件阻變特性分析，測試reset電流，set電壓等相關電學特性。用W探針作為阻變器件的惰性金屬上電極同功能層接觸，進行測試。接觸面積約為50μm2。 氧化釩薄膜器件電學特性測試示意圖 VOx阻變器件物理特性表征為了確定VOx電介質層阻變器件的性質，實驗中對制備的阻變單元進行了測試表征。首先是氧化釩薄膜的AFM檢測，由于樣品硬度較高，可以采用接觸式掃描，這樣可以較少掃描時間得到高分辨率的樣品成像。掃描范圍控制在1μm到2μm之間。掃描的樣品范圍是2*2μm2時?？梢钥闯鏊L出的薄膜晶格邊界輪廓清晰，均勻致密。 22μm2掃描范圍下的AFM 立體圖。可以看出所長的氧化釩薄膜成分主要是(101)晶向的V2O5，同時還含有晶向是(111)的Cu和晶向是(400)的Si。 VOx薄膜的XRD譜。通過XPS電子結合能可以測定所生長的氧化釩薄膜中含有3價，4價，5價的釩，所制備的薄膜是一種混合型的氧化釩薄膜含有多種釩氧化物。 氧化釩薄膜的XPS測試結果通過這一系列功能層表征測試可以看出，實驗中所制備的薄膜為以V2O5成分為主的混合價態(tài)釩氧化合物。根據(jù)資料報道，V2O5薄膜是最具有實用價值的候選鋰離子存儲材料之一。首先，V2O5是釩氧化合物中價態(tài)最高，性質也最為穩(wěn)定的一種，可以認為是一種典型的具有穩(wěn)定物理化學性質的電介質。其次，晶體V2O5具有層狀結構，這種結構對帶電離子在電介質中的自由傳輸有利。因此，根據(jù)文獻實驗記載，V2O5功能薄膜有較大的電荷存儲密度[38][39]。但是由于V2O5的低可逆電荷容量特性，限制了其在鋰電池陰極的使用。然而這種低電荷存儲特性決定了可以利用這種特性用于制備需求低Reset電流、低功耗的阻變存儲器件?？梢钥闯?，基于V2O5功能層的阻變器件是一種典型的ECM原理阻變功能器件。這就決定了對V2O5離子存儲薄膜的制備和阻變電學特性研究是非常有意義的。 VOx器件的電學性能表征與分析,以及Set和Reset過程的IV特性曲線，用電壓掃描方式進行測試，掃描儀器是半導體參數(shù)分析儀Agilent B1500A。測試時采用W探針作為上電極。，所加電壓是1V，限流是1mA, ，電流會發(fā)生突變，變?yōu)?mA, VForming=。，器件電阻急劇變化，，VReset=，Reset電流為Ireset=。電壓再次從0V到1V掃描，限制電流為1mA時，電流就會再次發(fā)生突變，增大至1mA限流,此時電阻又變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，器件處于“開態(tài)”，所以器件的Set電壓為Vset=，也就是器件的Set電壓與Forming電壓基本相等，可以看做是一種Formingfree的阻變器件。 Cu/VOx/W單元結構Set，Reset過程 IV曲線實驗表明,Reset電流和Compliance Current表現(xiàn)出很強的相關性，通過實驗數(shù)據(jù)表明在限制電流Icc逐漸增大時Reset電流也會相應的增大。存在一定的正相關。統(tǒng)計Icc變化時Ireset所變化范圍中的處于平穩(wěn)狀態(tài)時的Reset電流平均值。 Icc和Reset電流之間的關系Icc變化時Reset電流的變化趨勢可以用器件內部局域導電細絲原理來解釋。導電細絲需要電場作用下的氧化反應重新將Cu原子氧化成Cu離子。因此Reset電流增大到一定程度后導電細絲就會熔斷，所以Reset電流的大小和導電細絲生長規(guī)模也是成正相關的，即導電細絲越多，細絲直徑越大，所需要的Reset電流就會越大。同時，通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，掃描電壓給定的范圍(Vsetstop)也會影響到Reset電流的大小。限制電流Icc都是設置在1mA。 Vsetstop與Reset電流的關系當Vsetstop增大時，導電細絲的規(guī)模也會增大，因此Reset過程中，使導電細絲發(fā)生斷裂所需要的功耗也會增加，這樣Reset電流就會有一定程度的增加。 Cu/VOx/W結構器件電學性質與電化學模型仿真的比較與分析從實驗結果可以看出，基于VOx功能層的Cu電極阻變存儲器是一種雙極型存儲單元，它的工作特性曲線具有典型的ECM原理RRAM工作參數(shù)特征。同時通過前面的建模分析工作可以得知，對Cu/VOx/W結構的電學翻轉特性進行有關電鍍效應的原理分析是合乎情理的。分析實驗數(shù)據(jù)可以看出，限制電流Icc的控制直接關系到reset電流的大小。隨著Icc的增大reset電流會相應增加并且最終趨于一個穩(wěn)定飽和狀態(tài)，通過分析建立細絲生長模型推測假設是由于導電細絲生長速率和數(shù)量所引起的這種變化，經過分析可以看出是符合實驗數(shù)據(jù)結果的。通過統(tǒng)計Vstop與reset電流可以看出二者也具有一定的關系。這樣的結果符合前面建模仿真的結果，從而證明了阻變存儲器件的導電細絲原理。第六章 總結與展望第六章 總結與展望隨著半導體工業(yè)集成電路技術的快速發(fā)展，工藝水平在不斷提高，集成度緊隨著摩爾定律以每18個月增加一倍，與此同時，存儲器件的工藝特征尺寸在不斷縮小，目前已經進入納米時代，隨著特征尺寸的減小，傳統(tǒng)結構的FLASH會存在性能和可靠性等諸多問題，因此研究和尋找新存儲器結構成為人們比較關心的問題。本論文中，我們利用KMC方法分別仿真了RRAM器件的翻轉過程，主要針對薄膜的動態(tài)轉變特性進行了研究分析。在分析不同的電極面積對薄膜阻變特性的影響時，綜合了導電細絲理論和電化學理論的知識，實現(xiàn)了對阻變機理的初步探索。具體工作內容表現(xiàn)在以下兩個方面：首先，利用動力學蒙特卡洛算法建立基于電化學原理的阻變存儲器件模型，模擬RRAM器件的Forming、Set及Reset過程電學性質曲線。通過對電化學RRAM存儲器的Monte Carlo模擬與仿真，可以得出以下的結果：1） 對雙極型ECM RRAM進行了動力學Monte Carlo模擬，得到了器件的IV特性，與實驗數(shù)據(jù)相吻合，可用來預測阻變開關的特性，為設計RRAM器件的讀/寫外圍電路提供幫助。2） 在KMC模擬導電細絲生長的過程中，證明導電細絲的增長是不均勻的。我們將這一現(xiàn)象歸結于避雷針效應。通過改善具有避雷針效應的阻變功能層結構，可以改進RRAM器件的穩(wěn)定性，降低單元阻變開關時間。其次，建立基于離子價變原理的阻變器件模型，并模擬器件的Forming、Set及Reset等阻變基本過程和器件的性能失效過程，然后和實驗數(shù)據(jù)進行對比分析。 由仿真的結果對比可知，在Forming過程中，當導電細絲部分形成但未完全導通時，此材料上電極(TiN)和局部導電通道（虛擬陰極）之間的電場比較大，從而促進氧空位快速形成與遷移，最終加速形成導電通道，提高了器件的翻轉速度與穩(wěn)定性。在Reset過程中，從模擬結果可以看出陰極氧空位的產生和復合以及氧離子的遷移影響著存儲器高低阻態(tài)的轉化過程，對于離子價變機理的阻變存儲器，在TiN電極施加負電壓時，TiN電極中儲存的氧離子在電場作用下擴散至HfO2功能層中與氧空位發(fā)生復合，造成陰極附近導電細絲的斷裂。為了同建模仿真工作對比討論，進行了阻變器件樣品制備實驗，主要是在Si襯底上制備VOx/Cu/Ti/SiO2/Si結構，所生長的功能層薄膜為釩的混合價態(tài)氧化物，其主要成分是V2O5。通過在Cu電極上加一定的掃描電壓，Cu離子在VOx中快擴散，在通電過程中局部還原成Cu原子，分布在VOx薄膜中的金屬Cu納米顆粒組成導電細絲，為自由電子提供導電通路，此時器件處于低阻狀態(tài)。當再次施加電壓時導電細絲在通電狀態(tài)下Cu原子被重新氧化并移動，使得導電細絲斷裂，最終又重新回到高阻狀態(tài)。由統(tǒng)計看出限制電流Icc的控制直接關系到reset電流的大小。通過分析建立的導電細絲生長模型,可以推測出這是由于導電細絲生長速率和數(shù)量所引起的，通過統(tǒng)計，Vstop與reset電流可以看出二者也具有一定的關系。這一實驗現(xiàn)象從另一方面驗證了過渡金屬氧化物阻變器件的導電細絲建模仿真工作。我們期望，在今后開展的工作中繼續(xù)深入研究有關薄膜電阻轉變機制以及阻變極性的問題，為實現(xiàn)結構簡單、讀寫速度快、存儲密度高、半導體工藝兼容性好的RRAM的實際化應用提供一定的理論基礎。參考文獻參考文獻[1] 李穎弢，劉明， [J]，2009，46(3):134153[2] 劉琦，高速、高密度、低功耗的阻變非揮發(fā)性存儲器研究，博士論文，安徽大學，2009[3] 王永，管偉華， [J] .物理，2008，37(12):870874[4] Guangyu Sun，Dimin Niu，Jin Ouyang，A frequentvalue based PRAM memory architecture [C], 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