【摘要】：以Flash為代表的傳統(tǒng)非揮發(fā)存儲器已經(jīng)取得了巨大的成功,但是隨著工藝尺寸的不斷減小,Flash即將到達它的物理極限。為替代Flash引領(lǐng)新一代的非揮發(fā)存儲器,近些年新型非揮發(fā)存儲器得到了廣泛研究。阻變存儲器(RRAM)因結(jié)構(gòu)簡單、可微縮化、讀寫速度快、功耗低、與標(biāo)準(zhǔn)邏輯工藝良好兼容、成本低等優(yōu)點,被認(rèn)為是最有前途的新型存儲技術(shù)之一,然而阻變存儲器在性能參數(shù)均勻性、高密度應(yīng)用、數(shù)據(jù)保持特性和操作成品率方面還存在不足,需要進一步改善。 具有RRAM特性的材料體系和存儲結(jié)構(gòu)很多,而具體選擇哪種材料作為RRAM,同時又要滿足與CMOS標(biāo)準(zhǔn)邏輯工藝兼容性及集成成本等要求則是一個相當(dāng)困難的議題。金屬鉭在阻擋層工藝中廣泛應(yīng)用,TaOx基阻變存儲器無需引入污染性元素,具有成本和CMOS工藝兼容的優(yōu)勢。但從目前國際上的報道來看,TaOx基RRAM高低阻態(tài)偏低,器件功耗高,器件性能并不是非常理想。對此,本文提出引入Ta205/TaOx雙層結(jié)構(gòu),增大了高低阻窗口、降低了功耗,并控制阻變發(fā)生位置一致,使得電學(xué)特性呈現(xiàn)出重復(fù)性和集中化。另外,給出了分別面向高密度和嵌入式應(yīng)用的Ta2O5/TaOx雙層結(jié)構(gòu)三維器件集成和平面工藝集成方案。 本文基于SMIC0.18um工藝制備得128kbit AlOx/WOy RRAM芯片,給出了阻變特性陣列結(jié)果,如高低阻分布、置位復(fù)位電壓統(tǒng)計等,并分析各層薄膜在阻變過程中充當(dāng)?shù)慕巧推骷D(zhuǎn)換機理。通過對比不同AlOx/WOy RRAM的制備條件以及操作算法研究AlOx/WOy雙層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)保持特性,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過還原氣氛退火后的器件數(shù)據(jù)保持特性失效率大幅降低,而操作算法越強,器件數(shù)據(jù)保持特性失效率則越高,這樣從工藝和設(shè)計的角度分別給出了器件數(shù)據(jù)保持特性改善的方法。 本文研究了AlOx/WOy雙層結(jié)構(gòu)對于不同F(xiàn)orming極性時呈現(xiàn)出來的阻變特性差異,并基于薄膜結(jié)構(gòu)成分提出了基于能帶角度的機理解釋。梯度氧空位在AlOx層的分布對Forming電壓極性反應(yīng)明顯,當(dāng)采用正向Forming時,器件表現(xiàn)出了良好的阻變轉(zhuǎn)換特性、疲勞特性以及抗讀干擾性；負(fù)向Forming時由于氧空位進一步移開AlOx/Al2O3界面,使得勢壘變得更高更寬,表現(xiàn)出極低的操作成品率和直接擊穿。
[Abstract]:The traditional nonvolatile memory, represented by Flash, has achieved great success, but with the decrease of process size, it is about to reach its physical limit. In order to replace Flash, a new type of nonvolatile memory has been widely studied in recent years. Resistive memory (RRAM) is considered to be one of the most promising new storage technologies because of its simple structure, miniaturization, fast reading and writing speed, low power consumption, good compatibility with standard logic technology and low cost. However, resistive memory has some shortcomings in performance parameter uniformity, high density application, data retention characteristics and operating yield, which need to be further improved. There are many material systems and storage structures with RRAM characteristics, but it is a very difficult issue to select which materials as RRAM, and to meet the requirements of CMOS standard logic process compatibility and integration cost at the same time. Tantalum is widely used in the barrier layer process without the introduction of polluting elements in the TaOx based resistive memory. It has the advantages of cost compatibility and CMOS process compatibility. However, according to the international reports, the low resistance state of TaOx-based RRAM is low, the device power consumption is high, and the device performance is not very ideal. In this paper, we propose the introduction of Ta205/TaOx double-layer structure, which increases the high and low resistive window, reduces the power consumption, and controls the same position of resistive change, which makes the electrical characteristics present repeatability and centralization. In addition, the scheme of 3D device integration and planar process integration of Ta2O5/TaOx bilayer structure for high density and embedded applications are presented. In this paper, 128kbit AlOx/WOy RRAM chip is fabricated based on SMIC0.18um process. The array results of resistive characteristics, such as high and low resistive distribution, position reset voltage statistics, etc., are given. The roles of each layer of thin films in the resistance process and the mechanism of device conversion are analyzed. By comparing the preparation conditions and operation algorithms of different AlOx/WOy RRAM, the data retention characteristics of AlOx/WOy bilayer structure are studied. It is found that the failure rate of the device data retention characteristics after annealing in reducing atmosphere is greatly reduced, and the stronger the operation algorithm is, the stronger the operation algorithm is. The higher the failure rate of device data retention characteristics is, the better the method of improving device data retention characteristics is given from the point of view of process and design. In this paper, the resistance characteristics of AlOx/WOy bilayer structure for different polarity of Forming are studied, and the mechanism based on the energy band angle is proposed based on the composition of the thin film structure. The distribution of the gradient oxygen vacancy in the AlOx layer has obvious response to the polarity of the Forming voltage. When the positive Forming is used, the device exhibits good resistance to conversion, fatigue and anti-reading interference, and the negative Forming is further removed from the AlOx/Al2O3 interface due to the oxygen vacancy. The barrier becomes higher and wider, showing extremely low operating yield and direct breakdown.
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TP333

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本文編號：2142686