基于氧化鉭阻變存儲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其可靠性研究
發(fā)布時間：2021-04-15 02:17
近年來,隨著云存儲、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等應用的發(fā)展,存儲設備面臨著高性能、低成本、高集成度的要求。另一方面,隨著半導體工藝節(jié)點的不斷縮小,Flash存儲器存在操作速度慢,編程/擦除電壓高、功耗高等缺點,這在很大程度上限制了其在創(chuàng)新技術(shù)領(lǐng)域的應用。鑒于此,業(yè)界對下一代非易失性存儲器技術(shù)進行了大量的研究。阻變存儲器因其簡單的結(jié)構(gòu)、低功耗、良好的可靠性、低制造成本和良好的CMOS兼容性等優(yōu)點而備受關(guān)注,被認為是最有潛力的新型存儲技術(shù)。雖然研究人員對RRAM的材料、機理和可靠性進行了很多研究,但是在實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化量產(chǎn)之前,阻變存儲器還面臨一些挑戰(zhàn),如大規(guī)模制造中的器件離散型,可靠性優(yōu)化,讀干擾等問題。針對這些問題,我們對器件結(jié)構(gòu)和編程策略進行協(xié)同設計,優(yōu)化了器件可靠性,并最終在40 nm工藝平臺進行了集成驗證。（1）為兼容標準的CMOS邏輯制程,我們設計了基于氧化鉭材料的阻變存儲器。針對離散性問題,通過引入緩沖層結(jié)構(gòu),有效調(diào)節(jié)器件編程過程中氧離子的抽取和注入量。由于避免了過度編程產(chǎn)生的缺陷,因此器件參數(shù)的均一性得到了提高。（2）基于器件的耐久性失效行為建立失效模型。在編程過程中,器件中導電細絲...
【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
信息通信技術(shù)系統(tǒng)中的存儲器金字塔結(jié)構(gòu)示例圖[2]
蘭州大學碩士學位論文基于氧化鉭阻變存儲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其可靠性研究3控制柵與浮柵之間的耦合系數(shù)會不斷下降，而陣列中存儲單元之間的距離同樣會越來越小，導致相鄰浮柵之間的串擾越來越嚴重，主要表現(xiàn)為讀串擾和編程串擾。圖1.2（a）Flash基本存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖，（b-c）氧化層減薄引起漏電流增加[10]針對半導體集成電路存儲器結(jié)構(gòu)中速度差異和功耗增加的問題，以及傳統(tǒng)Flash器件在更低的工藝節(jié)點下遇到的瓶頸，必須開發(fā)既能降低功耗又能提高速度性能的大規(guī)模集成電路，并將其商業(yè)化，而在這當中存儲器是關(guān)鍵技術(shù)。當前，半導體業(yè)界、科研界和學術(shù)界已積極參與新型非易失性存儲器的研發(fā)，主要有磁阻式隨機存取存儲器（MagneticRandomAccessMemory,MRAM），相變隨機存取存儲器（PhaseChangeRandomAccessMemory,PCRAM），鐵電隨機存取存儲器（FerroelectricRandomAccessMemory,FeRAM），以及阻變隨機存取存儲器（ResistiveRandomAccessMemory,RRAM）。1.2新型非易失性存儲器1.2.1磁阻存儲器磁阻式隨機存取存儲器（MRAM）是20世紀90年代隨著磁隧道結(jié)（MagneticTunnelJunction,MTJ）的發(fā)明[11]而發(fā)展起來的一種非易失性存儲器。MRAM的基本單元結(jié)構(gòu)為磁性隧道結(jié)（MTJ），如圖1.3所示，主要由固定磁層（FixedLayer）、自由磁層（FreeLayer）和絕緣隧道隔離層（BarrierLayer）組成[12]，磁化方向固定的固定磁層，也稱為“釘扎”（Pinnedlayer）層。在外加電壓作用下，當自由磁層的磁化方向與固定磁層的方向平行時，通過絕緣隧道層的電子受到的散射很小，器件為低阻，“ON”狀態(tài)；反之，自由磁層的磁化方向與固定磁層的方向反平行時，器件處于高阻，“OFF”的狀態(tài)。這兩種不同的電阻狀態(tài)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)二進制“0”和“1”存儲。自旋轉(zhuǎn)扭矩磁
號對磁性的干擾較弱，這樣器件中的磁場極性不會像電荷那樣會隨時發(fā)生泄漏，因此MRAM的抗干擾能力較傳統(tǒng)的電荷存儲器明顯提高，這樣能夠避免存儲信息的丟失[15]。MRAM磁性轉(zhuǎn)換時不會發(fā)生電子或原子的實際移動，因此磁存儲器的耐受性好，操作速度快、功耗低，應用領(lǐng)域廣泛[16]。但MRAM也面臨一些問題，如當隧道層薄膜厚度極�。▇1nm）時，器件尺寸過小會造成電流不足，導致磁化方向難以翻轉(zhuǎn)；在對器件進行擦寫操作時，MRAM的位存儲容易受到干擾；磁性材料薄膜的制備工藝比較復雜，而且均一性較差。圖1.3經(jīng)（a）讀取和（b）寫入操作的MRAM單元的結(jié)構(gòu)示意圖，插圖是兩種電阻狀態(tài)下MTJ中各層的磁性方向示意圖[12]1.2.2相變存儲器相變存儲器（PCRAM）利用相變材料通過加熱可在兩種狀態(tài)（結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)）之間實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)變的獨特性能，將這兩種狀態(tài)的不同電阻狀態(tài)用于數(shù)據(jù)存儲。Ovshinsky在20世紀60年代提出了基于相變理論的存儲器[17]，研究的相變材料主要是Ge2Sb2Te5（GST）。PCRAM的基本單元結(jié)構(gòu)如圖1.4所示[18]，具有金屬-絕緣體-金屬（MetalInsulatorMetal,MIM）結(jié)構(gòu)，PCRAM利用外加電場（電脈沖）引起溫度變化，促使相變材料的相態(tài)發(fā)生晶態(tài)與非晶態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變。相變材料由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)時，器件由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，定義為“1”；反之，相變材料從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，器件的電阻狀態(tài)由低阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦�，定義為“0”。與傳統(tǒng)的Flash相比，PCRAM器件可承受更多的寫入次數(shù)（重復可擦寫次
本文編號：3138475
【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
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【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
信息通信技術(shù)系統(tǒng)中的存儲器金字塔結(jié)構(gòu)示例圖[2]
蘭州大學碩士學位論文基于氧化鉭阻變存儲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其可靠性研究3控制柵與浮柵之間的耦合系數(shù)會不斷下降，而陣列中存儲單元之間的距離同樣會越來越小，導致相鄰浮柵之間的串擾越來越嚴重，主要表現(xiàn)為讀串擾和編程串擾。圖1.2（a）Flash基本存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖，（b-c）氧化層減薄引起漏電流增加[10]針對半導體集成電路存儲器結(jié)構(gòu)中速度差異和功耗增加的問題，以及傳統(tǒng)Flash器件在更低的工藝節(jié)點下遇到的瓶頸，必須開發(fā)既能降低功耗又能提高速度性能的大規(guī)模集成電路，并將其商業(yè)化，而在這當中存儲器是關(guān)鍵技術(shù)。當前，半導體業(yè)界、科研界和學術(shù)界已積極參與新型非易失性存儲器的研發(fā)，主要有磁阻式隨機存取存儲器（MagneticRandomAccessMemory,MRAM），相變隨機存取存儲器（PhaseChangeRandomAccessMemory,PCRAM），鐵電隨機存取存儲器（FerroelectricRandomAccessMemory,FeRAM），以及阻變隨機存取存儲器（ResistiveRandomAccessMemory,RRAM）。1.2新型非易失性存儲器1.2.1磁阻存儲器磁阻式隨機存取存儲器（MRAM）是20世紀90年代隨著磁隧道結(jié)（MagneticTunnelJunction,MTJ）的發(fā)明[11]而發(fā)展起來的一種非易失性存儲器。MRAM的基本單元結(jié)構(gòu)為磁性隧道結(jié)（MTJ），如圖1.3所示，主要由固定磁層（FixedLayer）、自由磁層（FreeLayer）和絕緣隧道隔離層（BarrierLayer）組成[12]，磁化方向固定的固定磁層，也稱為“釘扎”（Pinnedlayer）層。在外加電壓作用下，當自由磁層的磁化方向與固定磁層的方向平行時，通過絕緣隧道層的電子受到的散射很小，器件為低阻，“ON”狀態(tài)；反之，自由磁層的磁化方向與固定磁層的方向反平行時，器件處于高阻，“OFF”的狀態(tài)。這兩種不同的電阻狀態(tài)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)二進制“0”和“1”存儲。自旋轉(zhuǎn)扭矩磁
號對磁性的干擾較弱，這樣器件中的磁場極性不會像電荷那樣會隨時發(fā)生泄漏，因此MRAM的抗干擾能力較傳統(tǒng)的電荷存儲器明顯提高，這樣能夠避免存儲信息的丟失[15]。MRAM磁性轉(zhuǎn)換時不會發(fā)生電子或原子的實際移動，因此磁存儲器的耐受性好，操作速度快、功耗低，應用領(lǐng)域廣泛[16]。但MRAM也面臨一些問題，如當隧道層薄膜厚度極�。▇1nm）時，器件尺寸過小會造成電流不足，導致磁化方向難以翻轉(zhuǎn)；在對器件進行擦寫操作時，MRAM的位存儲容易受到干擾；磁性材料薄膜的制備工藝比較復雜，而且均一性較差。圖1.3經(jīng)（a）讀取和（b）寫入操作的MRAM單元的結(jié)構(gòu)示意圖，插圖是兩種電阻狀態(tài)下MTJ中各層的磁性方向示意圖[12]1.2.2相變存儲器相變存儲器（PCRAM）利用相變材料通過加熱可在兩種狀態(tài)（結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)）之間實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)變的獨特性能，將這兩種狀態(tài)的不同電阻狀態(tài)用于數(shù)據(jù)存儲。Ovshinsky在20世紀60年代提出了基于相變理論的存儲器[17]，研究的相變材料主要是Ge2Sb2Te5（GST）。PCRAM的基本單元結(jié)構(gòu)如圖1.4所示[18]，具有金屬-絕緣體-金屬（MetalInsulatorMetal,MIM）結(jié)構(gòu)，PCRAM利用外加電場（電脈沖）引起溫度變化，促使相變材料的相態(tài)發(fā)生晶態(tài)與非晶態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變。相變材料由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)時，器件由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，定義為“1”；反之，相變材料從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，器件的電阻狀態(tài)由低阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦�，定義為“0”。與傳統(tǒng)的Flash相比，PCRAM器件可承受更多的寫入次數(shù)（重復可擦寫次
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