【摘要】：以Flash為代表的經(jīng)典浮柵型非揮發(fā)存儲器已經(jīng)取得了巨大成功,但隨著工藝尺寸的不斷縮小,尤其是到22nm技術(shù)帶以下,Flash將到達其物理極限。為發(fā)展下一代能夠接替Flash的非揮發(fā)存儲器,一些新型存儲技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)。其中,成長最為迅速的阻變存儲器(RRAM)備受存儲業(yè)界關(guān)注。 目前很多材料都發(fā)現(xiàn)具有電阻轉(zhuǎn)變特性,包括過渡族金屬氧化物,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三元或四元含氧化合物,以及有機薄膜材料。在選擇哪種材料作為功能材料時,與標準CMOS邏輯工藝相兼容是一個重要的考慮因素。當前,阻變存儲器面臨的主要瓶頸是功耗大,其中擦寫電流在毫安量級,低阻值在lkohm以下,以及擦寫電壓3伏以上,器件的電學(xué)參數(shù)均勻性差,以及可靠性等問題。針對RRAM發(fā)展過程中遇到的問題,我們基于AI互連體系提出了一套解決方案。 首先我們基于AI互連后端工藝,研究了TiOx基RRAM器件的阻變特性,并研究了不同的電極和氧化時間對器件性能的影響,最終發(fā)現(xiàn)功函數(shù)較高的電極可以獲得較穩(wěn)定的阻變性能,氧化時間的增加有助于降低器件的功耗；其次提出了N摻雜的AIOx基RRAM存儲器,發(fā)現(xiàn)其操作電壓極低,在0.5V以下,endurance1000次以上,具有低功耗的優(yōu)勢,并研究了不同的N含量對器件性能的影響。接著,針對AION器件,我們研究了電流set過程對reset電流的影響,發(fā)現(xiàn)通過電流set可以明顯降低reset電流到50uA以下,并分析了其內(nèi)在原因。然后我們通過恒流操作表征了其數(shù)據(jù)保持能力,并采用阻抗分析的方式研究了其導(dǎo)電性,在機理方面取得了一定的研究成果；最后,我們提出了WOx/AION雙層結(jié)構(gòu)RRAM存儲器,發(fā)現(xiàn)其reset電流可以低至10uA以下,相比單層結(jié)構(gòu)提高了高低阻態(tài),實現(xiàn)了多值存儲,接著我們通過測試其交流電容和交流電導(dǎo)表征了其導(dǎo)電性,最后我們分析了其抗噪聲能力,并通過隨機電報噪聲測試結(jié)果分析了其不同阻態(tài)下的穩(wěn)定性問題。
【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】：2012
【分類號】：TP333
【圖文】：

是集成電路產(chǎn)業(yè)不可或缺的重要組成部分。半導(dǎo)體存儲器是應(yīng)用面最廣、市場比例最高的集成電路基礎(chǔ)性產(chǎn)品，即便是存儲器產(chǎn)業(yè)大幅度衰退的2008年，我國市場的存儲器年需求也達到190億美金，占我國集成電路市場總需求的近22%。目前，我國存儲器需求幾乎完全依賴進口，為受外部制約最嚴重的基礎(chǔ)產(chǎn)品之一，給我國信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展甚至國家信安全帶來嚴重的戰(zhàn)略風(fēng)險。因此，從整個國家利益、國民經(jīng)濟戰(zhàn)略意義的角度，展擁有自主可控的半導(dǎo)存儲器產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。1.2非揮發(fā)存儲器的發(fā)展歷程半導(dǎo)體存儲器分類情況如圖1.2. 1所示，根據(jù)存儲器切斷電源后能否保存數(shù)據(jù)的特性，分為揮發(fā)性和非揮發(fā)性兩大類。揮發(fā)性存儲器在斷電后數(shù)據(jù)消失，該型的存儲器主要包括動態(tài)隨機存儲器(DRAM)，和靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)。而非發(fā)存儲器在斷電后數(shù)據(jù)仍能保持。傳統(tǒng)的非揮發(fā)存儲器多是基于浮柵型的，如lash, EEPROM,已主宰非揮發(fā)存儲器市場30年之久。Semiconductor Memories

電荷俘獲型的SONOS，以及鐵電存儲器（FeRAM)，相變存儲器（PCM)，磁存儲器(MRAM)，阻變存儲器(RRAM)等，非揮發(fā)存儲器隨技術(shù)代的發(fā)展如圖1.2.2所示。Ceil size【內(nèi) f- ：?!' ；!?<<；'J evolutionary"disruptive30— ^embedded 2。- .一‘-, code I10-R誔CM 一； / ^datafill I I I I I ' ?180 130 90 65 5x 4x 3x 2x ixTechn.node F [nm]圖1.2.2非揮發(fā)存儲器隨半導(dǎo)體工藝節(jié)點的發(fā)展1. 2. 1浮柵型非揮發(fā)存儲器的崛起與改良浮柵型非揮發(fā)存儲器(flash)起源于1967年D. Kahng等人提出的MIMIS (Metal- Insulator-Metal-Insulator-Silicon)結(jié)構(gòu)[1]。它在傳統(tǒng)的MOSFET上增加了一層金屬浮柵和一層超薄隧穿氧化層，并利用浮柵來存儲電荷。1971年，Intel公司首次推出了商業(yè)化的浮柵器件FAMOS(Floating-gateAvalanche-injection MOS) [2]。它懫用P型溝道的雪崩電子注入，大大提高了編程效率。在寫入數(shù)據(jù)前，浮柵是不帶電的，要使浮柵帶負電荷，必須在漏、柵極加足夠高的電壓（如25V)，使漏極與襯底間的PN結(jié)反向擊穿，產(chǎn)生大量高能電子。這些電子穿過超薄氧化層堆積在浮柵上，從而使浮柵帶有負電荷。當移去外加電壓后

可進行讀、擦除、寫操作，為系統(tǒng)的設(shè)計和在線調(diào)試提供了極大的方便。但為防止擦除后浮柵中正電荷造成短路，必須增加一個選通管，不過這使得EEPROM單元面積增大，降低了集成密度。在EPROM和EEPROM的基礎(chǔ)上，F(xiàn)lash為獲得更高的密度及節(jié)約成本，省去了選通管，同時在架構(gòu)上引進了按塊擦除的概念，極大的提高了擦除速度。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，F(xiàn)lash可以分為NOR和NAND兩類，前者具有較快的隨機讀取性能，多用于存儲計算機指令(Code);后者的優(yōu)勢是連續(xù)性操作較快、集成度較高，多用于存儲視頻、書籍等資料(Data)。圖1. 2. 3示意了NOR和NAND的結(jié)構(gòu)。前者是NOR的結(jié)構(gòu)，每個存儲單元均通過一個通孔(contact)與字線連接，相鄰兩單元共享一根位線，通過位線與字線選中某一特定的單元進行操作，所以其隨機讀取數(shù)據(jù)的速度快，大約為NAND速度的10到250倍左右；后者是NAND結(jié)構(gòu)，大幅度減少了通孔數(shù)，采用串連的方式將若干個存儲單元連接到位線，讀取一位數(shù)據(jù)時電流需要流過其它與之串連的晶體管，故讀取速度較慢，但這樣的結(jié)構(gòu)適用于順序批量讀取數(shù)據(jù)，故較多用于存儲Data，另外，NAND的結(jié)構(gòu)決定了其工作電流較小，數(shù)據(jù)的寫入可以采用批量寫入的方式，故其寫入速度大約是NOR的1. 2到5倍。

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本文編號：2805806