【正文】 增加，這證實了在阻變過程中，金屬離子存在熱加速運動。與大面積的移動設(shè)備相比，具有較小的二維面積的RRAM器件在阻值翻轉(zhuǎn)過程中，在相同的偏壓下，由于局域熱效應(yīng)增加比較明顯，從而增強了電開關(guān)速度，進而縮短了翻轉(zhuǎn)響應(yīng)時間。然而，應(yīng)當注意的是為了獲得更精確的模擬結(jié)果，需要進一步研究局域熱量計算，這一工作除了KMC模擬之外，還應(yīng)該引入其他仿真方法進行計算處理，比如第一性原理計算。第四章 VCM原理RRAM的仿真模擬第四章 VCM原理RRAM的仿真模擬對于基于VCM原理RRAM器件的研究，我們模擬的是以TiN/HfO2/Pt為材料體系的阻變存儲器件，并計算器件內(nèi)部導電通道內(nèi)電子占有率，這對討論阻變單元的電學參數(shù)變化有重要的意義。具體的仿真內(nèi)容便是根據(jù)阻變存儲器中各單元的電子占有率計算相關(guān)的微積分以及相應(yīng)的解。這部分的目的是計算基于VCM的阻變存儲器導電通道內(nèi)的電子占有率，該部分用Matlab代碼編寫。例如左邊電極電流滿足公式： （） 不難看出，在一個穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中，總電流。我們根據(jù)Mott電子跳躍模型，列出兩個氧空位之間電子傳輸?shù)膸茁使剑? （）上式中n、m分別代表建模的矩陣中的任意兩個氧空位，其中表示的是兩個氧空位之間的距離，而則是兩個氧空位之間的電勢差。 （） （）公式（）所計算的項是公式（）中的第三項：電子隧穿幾率。針對此課題研究的材料HfO2，我們可以查閱相關(guān)資料，則上述兩公式即變?yōu)椋? （）’ （）’下表表示以上公式中的常數(shù)：符號該符號所表示含義所取值應(yīng)用公式單個電子在勢阱中的振動頻率（）電子波函數(shù)在一個陷阱的衰減長度（）電極和電介質(zhì)層之間的電子耦合系數(shù)（）電子隧穿有效質(zhì)量（）氧化鉿的導帶下方一個空的氧空位的陷阱能級（）氧化鉿的導帶下方一個滿的氧空位的陷阱能級（）左右電極對氧化鉿導帶各自的費米能級（）（）在討論2D模型的Pt/HfO2/TiN結(jié)構(gòu)阻變特性模擬之前，首先建立一個1D結(jié)構(gòu)的氧空位導電細絲結(jié)構(gòu)，并計算它的電子占有率。因此我們可以得到這樣的合理推論：這條氧空位鏈的導電性能是由電子占有率最低的那一點限制并決定的。接下來以TiN/HfO2 /Pt中的氧空位為對象，計算氧空位的電子占有率，把公式代入所建立的模型。 是在不同的外加電壓下，維數(shù)為1D的20個晶格單元HfOx阻變功能層的電子占有率計算。其中靠近陰極的一端隨電壓增加而減小的趨勢比較明顯。，當在導電細絲附近施加電壓時，陽極附近的電子占有率變化較小，而陰極附近氧空位的電子占有率則變化比較明顯。在這個區(qū)域中，氧空位與游離的氧離子復合的概率是非常大的。這解釋了氧空位導電阻變存儲器中阻變現(xiàn)象的內(nèi)在機理。氧空位所對應(yīng)的電子占有率對氧空位產(chǎn)生和復合起著決定性作用。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(zhuǎn)變的Reset過程時，導電細絲在陰極斷裂的概率更大。因為在器件的兩端加之一定的電壓，在電場的作用下，氧離子向器件的陽極移動，這時由于氧離子的移動導致在器件的內(nèi)部形成氧空位，而導電細絲就是由局部氧空位逐漸的形成。換句話說，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生就是電子不斷的在氧空位中跳躍。；（a）Set過程（在兩端加偏置電壓）。 (c)存儲單元的Reset過程（加反向電壓）。一個氧空位可以被一個跳躍的電子所占有，這個電子可以來自從另一個氧空位或者是電極。在基于氧空位導電細絲原理的建模中，器件材料在導電狀態(tài)時以下事件應(yīng)該有可能發(fā)生： 一個電子從電極跳躍到氧空位； 一個電子脫離氧空位的束縛跳躍到電極； 一個電子在兩個氧空位之間跳躍。阻變過程中的器件電流可以根據(jù)氧空位的電子占有率由()式求得。上電極TiN功能層 HfO2下電極 Pt。在電場的作用下，功能層中的強電場增加了氧空位產(chǎn)生的幾率。需要指出的是，已經(jīng)形成但未完全的導電細絲會增加局部電場強度與局部溫度，從而增加了氧空位形成的速度。 Reset阻變過程的模擬仿真 Reset過程的矩陣仿真中可以看出，向?qū)?yīng)的TiN電極的一側(cè)（矩陣上邊界）施加一個負電壓。也可以看到，細絲的斷裂過程，從導電細絲最薄弱的區(qū)域開始。在Reset過程中，負電壓被施加到矩陣上邊界所代表的電極上，也就是上電極成為了事實上的陰極。當氧離子靠近氧空位時，根據(jù)第三章的電子占有率計算，陰極附近的氧空位電子占有率是較低的，因此具有比較大的與氧離子復合的幾率。 Forming過程的IV曲線 ，F(xiàn)orming過程中，開始在電極上加一正電壓器件內(nèi)部有少量的氧空位，此時器件中的電流幾乎為零，然后隨著電壓的升高氧空位的逐漸形成了導電通道，電流在一瞬間便增加了數(shù)個數(shù)量級，意味著器件內(nèi)部發(fā)生了變化，由開始的高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱说妥钁B(tài)。通過對結(jié)果進行分析得知，氧空位所對應(yīng)的電子占有率對氧空位產(chǎn)生和復合起著決定性作用。從電子占有率隨電壓的變化趨勢計算結(jié)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。 氧空位所對應(yīng)的電子占有率對氧空位產(chǎn)生和復合有很大的影響。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(zhuǎn)變的Reset過程時，導電細絲在陰極斷裂的概率更大。在本章中，為了同仿真結(jié)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(jié)構(gòu)，從而以實驗與建模仿真結(jié)合的方式對阻變存儲器存儲機理進行了更深的探索。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(zhuǎn)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。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。基本備置包括4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）。還具有測試數(shù)據(jù)列表、繪圖等分析功能。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。 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(zhì)層阻變器件的性質(zhì)，實驗中對制備的阻變單元進行了測試表征。掃描范圍控制在1μm到2μm之間。可以看出所長出的薄膜晶格邊界輪廓清晰，均勻致密?？梢钥闯鏊L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。通過XPS電子結(jié)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。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。其次，晶體V2O5具有層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對帶電離子在電介質(zhì)中的自由傳輸有利。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?？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。 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。，所加電壓是1V，限流是1mA, ，電流會發(fā)生突變，變?yōu)?mA, VForming=。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。存在一定的正相關(guān)。 Icc和Reset電流之間的關(guān)系Icc變化時Reset電流的變化趨勢可以用器件內(nèi)部局域?qū)щ娂毥z原理來解釋。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(guān)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。限制電流Icc都是設(shè)置在1mA。 Cu/VOx/W結(jié)構(gòu)器件電學性質(zhì)與電化學模型仿真的比較與分析從實驗結(jié)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。分析實驗數(shù)據(jù)可以看出，限制電流Icc的控制直接關(guān)系到reset電流的大小。通過統(tǒng)計Vstop與reset電流可以看出二者也具有一定的關(guān)系。第六章 總結(jié)與展望第六章 總結(jié)與展望隨著半導體工業(yè)集成電路技術(shù)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(jīng)進入納米時代，隨著特征尺寸的減小，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)成為人們比較關(guān)心的問題。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。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(jié)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(guān)的特性，為設(shè)計RRAM器件的讀/寫外圍電路提供幫助。我們將這一現(xiàn)象歸結(jié)于避雷針效應(yīng)。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。在Reset過程中，從模擬結(jié)果可以看出陰極氧空位的產(chǎn)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(zhuǎn)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。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)。由統(tǒng)計看出限制電流Icc的控制直接關(guān)系到reset電流的大小。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。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] 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