随着通信、计算机和个人消费电子产品发展,市场对非易失性存储器的需求量越来越大,人们对存储设备的要求也越来越高。半导体工艺技术节点进入20nm,传统基于浮栅结构的闪存(Flash)的正面临严重的技术瓶颈。因此,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。阻变存储器以其卓越的特性受到学术领域和工业领域的高度重视。本文针对基于ZrO2与Si3N4薄膜的阻变存储器展开研究,主要内容如下:1.论文对Ti/ZrO2/Pt RRAM器件的直流转换、阻变机制、导电机制等方面的特性进行研究。研究器件的C-V与C-F特性发现器件高阻态时表现为电容特性,低阻态表现为电感特性。通过对介电常数的计算得到实验值明显大于介质本身的值。说明器件高阻态时薄膜中存在没有与氧离子复合的氧空位,减小了薄膜的有效厚度。器件高阻态下阻抗谱Nyquist图说明RRAM器件在高阻态可以等效为电阻和电容的并联。利用电流驱动的方式使器件实现电阻转换,并使器件高低阻态的电阻具有更好的一致性,存储窗口提高将近一个数量级。对SET过程限制电流和RESET过程截止电压对阻变参数的影响进行测试分析,并分析造成影响的原因。通过控制限制电流和截止电压的大小,实现器件的多值存储应用。研究不同上电极的器件的电阻转变特性与导电机制。由于Pt的高金属功函数,实现转换的周期较少且数据离散性大,器件很容易发生硬击穿失去阻变功能。Cu、Ni为上电极的器件均为金属细丝导电,通过实验和理论分析得到Ni为上电极的器件比起Cu为上电极的器件需要更高的转换电压。2.论文对Ti/ZrO2/Pt RRAM器件的温度特性进行研究。分析温度对器件电阻、Forming过程、SET/RESET电压等参数的影响。其次,针对寄生电容充放电导致器件RESET过程中电流过冲现象,提出利用高温Forming来改善器件转换性能,并抑制器件的RESET电流过冲。最后针对扫描电压应力与恒定电压应力(CVS)对器件的影响进行分析。随着扫描电压转变循环的增加,开态电流逐渐减小,关态电流逐渐增大;低阻电阻逐渐增大,高阻电阻逐渐减小,器件的开关电阻比变小;SET电压正向漂移,RESET电压负向漂移。CVS应力下器件经过多级转换实现SET和RESET过程。CVS的应力电压越大,器件实现转换所用的时间越短。另外,器件低阻态阻值越低,负向CVS转换所需时间越长。3.利用COMSOL多物理场仿真软件,以2-D轴对称结构为几何载体,建立包含离子迁移模型、电传导模型和焦耳热模型在内的RRAM器件2-D轴对称有限元电-热耦合模型,模型既包含阻变层材料的电热特性,也计入了上下电极的材料特性。模型可以准确地对器件RESET/SET过程I-V特性进行模拟。通过求解一系列偏微分方程,得到器件在转换过程中器件内部各参数氧空位浓度nD、温度T、电势Ψ、电场E、复合率R和产生率G等参数的分布细节。在此基础上,对一些关键因素如温度、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进行仿真分析,为器件机制分析和性能提高提供参考。完善的RRAM器件模型的建立对更深入地分析RRAM器件工作机理以及更好指导RRAM器件制备具有非常积极的作用。4.利用PECVD淀积Si3N4薄膜,成功制得具备双极转变特性的Ti/Si3N4/Au RRAM器件。高阻态和低阻态均满足TC-SCLC导电机制。器件转换电流低于1m A,并获得稳定的存储窗口。在现有关于Si3N4基RRAM器件的报道中,SET/RESET转换电压最小,转换功率密度小于其它文献2到3个数量级。另外,尝试通过插入Al2O3薄膜,制备双极电阻转换Ti/Al2O3-Si3N4/Au RRAM器件,研究Al2O3-Si3N4堆栈结构对器件性能的改变。堆栈结构的器件低阻态导电机制由原来单层Si3N4器件的TC-SCLC改变为欧姆导电机制。Al2O3薄膜的插入不但减小了SET/RESET转换电压,Forming电压也有所减小,并使器件转换电压的一致性有所改善。Si3N4基RRAM器件的制备以及堆栈结构器件的研究,对于提高基于氮化物薄膜的RRAM器件特性具有重要的意义。