近年來,隨著云存儲(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等應(yīng)用的發(fā)展,存儲(chǔ)設(shè)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(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的不斷縮小,Flash存儲(chǔ)器存在操作速度慢,編程/擦除電壓高、功耗高等缺點(diǎn),這在很大程度上限制了其在創(chuàng)新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。鑒于此,業(yè)界對(duì)下一代非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。阻變存儲(chǔ)器因其簡(jiǎn)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(diǎn)而備受關(guān)注,被認(rèn)為是最有潛力的新型存儲(chǔ)技術(shù)。雖然研究人員對(duì)RRAM的材料、機(jī)理和可靠性進(jìn)行了很多研究,但是在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化量產(chǎn)之前,阻變存儲(chǔ)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(duì)這些問題,我們對(duì)器件結(jié)構(gòu)和編程策略進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì),優(yōu)化了器件可靠性,并最終在40 nm工藝平臺(tái)進(jìn)行了集成驗(yàn)證。（1）為兼容標(biāo)準(zhǔn)的CMOS邏輯制程,我們?cè)O(shè)計(jì)了基于氧化鉭材料的阻變存儲(chǔ)器。針對(duì)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(dǎo)電細(xì)絲... 

【文章來源】：蘭州大學(xué)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(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

信息通信技術(shù)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器金字塔結(jié)構(gòu)示例圖[2]

蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文基于氧化鉭阻變存儲(chǔ)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(huì)不斷下降，而陣列中存儲(chǔ)單元之間的距離同樣會(huì)越來越小，導(dǎo)致相鄰浮柵之間的串?dāng)_越來越嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為讀串?dāng)_和編程串?dāng)_。圖1.2（a）Flash基本存儲(chǔ)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(duì)半導(dǎo)體集成電路存儲(chǔ)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(diǎn)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(dāng)中存儲(chǔ)器是關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，半導(dǎo)體業(yè)界、科研界和學(xué)術(shù)界已積極參與新型非易失性存儲(chǔ)器的研發(fā)，主要有磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MagneticRandomAccessMemory,MRAM），相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（PhaseChangeRandomAccessMemory,PCRAM），鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FerroelectricRandomAccessMemory,FeRAM），以及阻變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ResistiveRandomAccessMemory,RRAM）。1.2新型非易失性存儲(chǔ)器1.2.1磁阻存儲(chǔ)器磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）是20世紀(jì)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(chǔ)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(dāng)自由磁層的磁化方向與固定磁層的方向平行時(shí)，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(shí)，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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)二進(jìn)制“0”和“1”存儲(chǔ)。自旋轉(zhuǎn)扭矩磁

號(hào)對(duì)磁性的干擾較弱，這樣器件中的磁場(chǎng)極性不會(huì)像電荷那樣會(huì)隨時(shí)發(fā)生泄漏，因此MRAM的抗干擾能力較傳統(tǒng)的電荷存儲(chǔ)器明顯提高，這樣能夠避免存儲(chǔ)信息的丟失[15]。MRAM磁性轉(zhuǎn)換時(shí)不會(huì)發(fā)生電子或原子的實(shí)際移動(dòng)，因此磁存儲(chǔ)器的耐受性好，操作速度快、功耗低，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[16]。但MRAM也面臨一些問題，如當(dāng)隧道層薄膜厚度極�。▇1nm）時(shí)，器件尺寸過小會(huì)造成電流不足，導(dǎo)致磁化方向難以翻轉(zhuǎn)；在對(duì)器件進(jìn)行擦寫操作時(shí)，MRAM的位存儲(chǔ)容易受到干擾；磁性材料薄膜的制備工藝比較復(fù)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(chǔ)器相變存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)變的獨(dú)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(chǔ)。Ovshinsky在20世紀(jì)60年代提出了基于相變理論的存儲(chǔ)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(chǎng)（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(shí)，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(shí)，器件的電阻狀態(tài)由低阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦瑁x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(fù)可擦寫次


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