高速、高密度、低功耗的阻变非挥发性存储器研究

发布时间：2020-07-12 19:22

【摘要】： 半导体器件的尺寸随着摩尔定律的不断缩小是支撑集成电路和信息技术快速发展的原动力。但当前主流的非挥发性存储技术——基于电荷存储机制的Flash存储器随工艺技术代拓展遇到严重的技术瓶颈,无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。为了延续摩尔定律的前进脚步,许多基于其它存储概念的新型非挥发性存储技术受到科研界和学术界的广泛关注。其中,基于薄膜材料的可逆电致电阻效应的阻变随机存取存储器(resistive random access memory, RRAM),因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、高速擦写和极佳的尺寸缩小性等优势,并且其材料与当前CMOS工艺兼容,被认为是下一代非挥发性存储器的最有力竞争者之一。本文围绕如何改善基于二元金属氧化物的RRAM器件的存储特性,开展了材料的掺杂改性、器件的结构设计和阻变机理等方面的研究工作。针对基于二元金属氧化物的RRAM在阻变性能方面存在的不足,我们提出了采用掺杂的手段对金属氧化物材料进行改性的方法来改善其存储特性。系统地研究了Au/Cr/ZrO2:Zr/n+-Si, Au/Cr/ZrO2:Au/n+-Si, Cu/ZrO2:Ti/Pt这三种材料结构的阻变特性和电阻转变的物理机制,并通过材料分析手段研究了掺杂物质对二元金属氧化物材料的影响,对掺杂元素所起的作用进行了分类和总结。这项研究结果为如何提高阻变材料的阻变特性提供了理论上的指导。基于固态电解液材料体系的RRAM是目前阻变领域内最重要的一种器件类型。这类RRAM的阻变现象主要是由金属性的导电细丝的形成和破灭导致的。虽然固态电解液类型的RRAM具有高速、低功耗和优秀的可缩小性等优点,但是,由于金属性导电细丝成核和生长过程的随机性本质,导致这类RRAM的阻变参数存在较大的离散性,限制了其存储性能的进一步提高。为了解决这个关键性问题,我们提出了一种在下电极表面增加一层金属性纳米晶层的新型RRAM器件结构来达到控制导电细丝生长过程的目的。通过对Ag/ZrO2/Cu NC/Pt原型器件的阻变性能的系统研究,验证了这种结构对阻变参数的离散性具有明显的改善效果。通过透射电镜(transmission electron microscopy, TEM)的分析方法获得了Ag/ZrO2/Cu NC/Pt器件中生长在Cu纳米晶上的导电细丝的TEM照片,直观地证明了纳米晶层对导电细丝生长位置和方向的控制作用,并结合电场分布的模拟结果,建立了电场控制纳米晶生长过程的物理模型。同时,通过TEM的材料表征方法获得了导电细丝的微观成分,建立了导电细丝形成和破灭的微观物理模型。采用多值存储技术来提升下一代非挥发性存储器的存储密度是当前发展高密度存储技术的重要途径之一。我们在纳米晶控制导电细丝生长的理论基础上,制备了与CMOS工艺兼容的Cu/ZrO2/Cu NC/Pt结构的RRAM器件,并对其存储特性进行了系统的研究。这种结构的存储器具有低操作电压、均匀的转变参数和2 bit/cell的多值存储能力,因此具有高密度RRAM的应用前景。通过采用极小电压扫描步长的测试方法,我们获得了Cu/ZrO2/Cu NC/Pt结构的多台阶电阻转变曲线。通过对这些电阻台阶的定量分析,我们认为多根细丝顺序导通是产生这种电阻台阶现象的主要原因,并建立了多根细丝形成和破灭主导的多值存储模型,为获得高密度RRAM器件提供了理论上的指导。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP333
【图文】：

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Flash存储器是基于贝尔实验室的D.Kahng和5.M.52。在1967年提出的浮栅结构 (floatinggate)的非挥发性半导体存储器121发展而来的，它由衬底、隧穿氧化层、浮栅电极、控制栅氧化层和控制栅电极组成，其结构如图1.1(a)所示。Flash存储器通过对器件的栅极、源极、漏极和衬底加适当的电压激励，使得器件沟道中的电子被电场拉到浮栅 (noatinggate)中并存储起来，而浮栅中所存储的电子将导致器件闽值电压的增加，这种状态被用来存储数据“O”;通过相反的电压激励作用，浮栅中存储的电子可以被电场拉出浮栅，使得器件闽值电压回复到原来状态，这种状态被用来存储数据“1”，其工作原理如图1.1伪)所示。随后，日本东1984年提出了Flash存储器的概念〔3]。Flash芝(肠shiba)公司的F.Masuoka等人在代表的是一种“逐位编程

示意图,存储技术,演变过程

(((a)))‘bJ‘翎‘‘1110对deeeEraseProgI’ammmm000滋deee’价‘n直直一一一’p扭扭图1.1浮栅结构的非挥发存储器及其工作原理示意图。Fig.1.1Sehcmatieofthofloatinggatememorys如ctureandthePrinciPleofstoragedata.二十年来，根据不同的实际应用需求，Flash存储器主要朝着两个方向发展，一个是以高速、可随机存取为诉求的代码存储(以NOR结构为代表)，另一个是以大容量为诉求的文件存储(以NAND结构为代表)。图1.2展示了FLAsH存储技术的历史演变过程141。

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同时单元尺寸的缩小还会带来工艺涨落和随机涨落增加等难题，因此无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。技术界普遍预测，NOR型Flash将止步于45nln技术节点，而NAND型Flash也将在32nm的技术节点处达到极限尺寸l4]。为了克服传统的Flash存储器件遇到的可缩小性难题，工业界和学术界都竞相研发替代Flash的新型不挥发存储器，其技术思路主要分为两类ll]，如图3所示。一类是在传统的Flash存储器的基础上进行的改进型路线，期望能将现有的存储技术推进到32nm技术节点以下，其代表性结构为纳米晶存储器【5一，4】和电荷捕获型存储器11’一2z]。另一类是在Flash技术达到物理极限以后，采用完全不同的技术和新的存储机理的革命型路线，其代表性器件为铁电存储器少RA人1:Ferroelectri。RandomAeeessMemO仃)123一，5]、磁存储器(M卫AM:MagnetoresistiveRandomAccessMemo叮)I，6一，01、相变存储器(PeM:Phasechang。Mem。仃夕，’一，6J和阻变存储器(RRAM:Rosisti、·eRandomAccessMem。叮)[3”一‘，]等。

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