基于铜互连和铝互连标准逻辑工艺的阻变随机存储器可靠性研究

发布时间：2019-11-16 12:38

【摘要】：当前广泛应用于各类电子元器件系统中的非挥发性(Nonvolatile)数字存储技术——FLASH,在半导体工艺尺寸已经微缩化(Scaling down)到20nm技术带的背景下,即将达到其器件结构本身造成的物理极限,这就为新型的非挥发性存储技术的发展提供了机遇。为了取代FLASH,新的存储器必须具备与目前的CMOS工艺兼容、优秀的微缩化能力、单元存储成本低和存储速度快等综合性能。另一方面的考虑在于——在未来的存储系统中,用新型存储器来提升整个系统的存储性能,比如取代磁盘存储器(HDD),这种应用将改变计算系统的存储等级(Storage hierarchy)。由于具备简单的器件结构、微缩化到16nm尺寸以下的能力、纳秒级的读写速度、与CMOS工艺兼容等特点,阻变随机存储器(RRAM)被认为是FLASH存储器潜在的替代者。阻变存储器是利用两个电极间的阻变材料在电应力作用下发生的高低阻转换而进行信息存储的,许多的材料已经被发现具有阻变性能,包括过渡族金属氧化物、硫系合金、聚合物材料和有机物材料等。如今,在各种优秀的电学性能已经被验证的条件下,影响阻变存储器发展的可靠性研究已经被提上日程。阻变存储器的可靠性问题包括了电学参数的均匀性、阻变层的厚度和成份影响、可靠的擦写能力、反复擦写能力和数据保持能力等。目前制约RRAM发展的一个主要因素是——机理不清,而且通过物理表征来发现阻变的局部特征非常困难,这给可靠性研究工作造成了影响。然而我们反向考虑,通过可靠性的研究,一方面可以调整阻变层的材料成份和电学操作性能,另一方面可以间接探究阻变存储器的阻变机理。在这篇论文中,主要针对0.13μm标准逻辑工艺集成的1Mb的CuxSiyO阻变随机存储器,研究了Si掺杂对阻变性能的影响,电学操作对阻变性能的影响,阻变器件的微缩化能力,及数据保持能力。通过这些可靠性角度的研究,对CuxSiyO阻变材料的成份进行了优化,探究了各种电学操作下阻变参数的可靠性,并找到了可靠的电学操作方法,验证了数据长期存储的能力和微缩化到40nm尺寸的能力。最后一章针对低成本的A1互连,初步验证了0.18μm标准逻辑工艺集成的1Mb的WOx/AlOx退火自行成的双层结构RRAM具备良好的电阻分布和retention能力。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP333

【共引文献】