基于28nm逻辑工艺的阻变存储器工艺优化及可靠性研究
发布时间：2020-07-23 14:23
【摘要】：近年来,随着集成电路技术的快速发展,非易失存储器的应用场景和需求市场都飞速的扩大,科研领域中新型非易失存储器的研究也得到了快速的发展。其中主要因素是目前主导非易失存储器市场二十多年的基于电荷存储的闪存虽然有很多优点,但是在新的应用场景和应用需求下任然有如下的缺点。例如耐久性差(106个周期)、编程速度慢(10 μs)和高工作电压(10 V)。并且在微缩性越来越重要下降也越来越快的今天基于电荷存储的闪存也会很快的到达其物理微缩的极限。新型非易失存储器在此因素下得到了市场广泛的关注。其中电阻转换存储概念的阻变存储器(RRAM)相比较于电荷存储的闪存有着微缩化的潜力,同时又结构简单、数据保持特性好、读写速度快,又可应用于神经计算的多值存储,工艺上兼容于当前传统互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,是新型非易失存储器中的热门研究方向之一近些年来,随着工艺节点的进一步微缩,在新一代非易失存储器中阻变存储器得到了快速的发展。但是在把完整的产品推给客户之前任然需要提升阻变存储器的可靠性以适应市场对其的要求。比如:器件的耐受性,保持特性和短时效问题等。本文先是在现有实验环境进行部分探索性实验再在基于28 nm先进的工艺节点上探索可以与标准CMOS平台兼容的非挥发存储器,是新型非挥发存储器在产业化之路上的突破。创新的有以下两点:(1)利用实验室实验平台对1Mb存储器氧化工艺进行先期摸索,使用含N20等离子氧气氧化Ta制备TaON为阻变层的RRAM,使其forming电压降至2V以内。并提出与CMOS工艺兼容的氧化方式,先对W栓进行氧化,制备WOx/W的下电极。改善器件在循环之间以及器件之间的波动性以及读取过程的波动性。提高器件参数的均一性。(2)利用1Mb阻变存储器阵列对RRAM阵列可靠性进行了研究工作,提出高温预处理方案,该方案降低器件的forming电压值变小,且阻值分布更加均一,在高温预处理下,结合模特卡洛仿真分析出高温预处理改善拖尾效应。使得存储阵列高温预处理后的低阻值拖尾效应明显改善。并分析高温预处理后的常温reset后的高阻和常温forming常温reset的高阻之间的影响,使用高温预处理后常温reset的高阻的拖尾现象明显减少。因此高温预处理使存储阵列的保持特性有明显提升。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP333
【图文】：
出很多有待改变的问题，同时如云计算、大数据等新的技术的到来，使新的计算逡逑与存储方式对存储介质提出了更高的要求。随着当今计算机系统的发展，内存体逡逑系为了满足存储的需求发展成了相对更加独立的相关关系。如图１－１所示：缓存逡逑的代表静态随机存储器（ＳＲＡＭ）、动态随机存取存储器（ＤＲＡＭ）与主流存储器的逡逑代表闪存（Ｆｌａｓｈ）及固态驱动器之间形成一个金字塔结构。在该结构中越往下逡逑其完成一个指令所需的时钟的周期越大，但越往上存储的容量反而越小。逡逑Ｔｏｄａｙ＇ｓ邋Ｍｅｍｏｒｙ邋Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ逡逑Ｌａｔｅｎｃｙ逦ＣＰＵ逦Ｃａｐａｃｉｔｙ逡逑Ｉ逦Ｃａｃｈｅ逡逑＜ｎＳ邋ＳＲＡＭ邋Ｌ１Ｌ２）Ｌ３逦｜逡逑￣１0ｎｓ邋ＤＲＡＭ逦Ｍｅｍｏ％邋ｖｏｌａｔｉｌｅ邋－邋ＧＢ逡逑－１０ｐｓ邋ＦＬＡＳＨ逦Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ邋Ｄｒｉｖｅ逦￣邋１００ＧＢ｜逡逑Ｎｏｎ－ｖｏｌａｔｉｌｅ逡逑１邋￣ｍｓ逦Ｈａｒｄ邋Ｄｉｓｋ逦＞邋１ＴＢ逡逑图１－］主流存储器之间形成的金字塔结构：ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、闪存分别用作缓存，主存逡逑储器和固态存储器逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｐｙｒａｍｉｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ邋ｍｅｍｏｒｉｅｓ：邋ＳＲＡＭ，邋ＤＲＡＭ，邋ａｎｄ逡逑ｆｌａｓｈ邋ｍｅｍｏｒｙ邋ａｒｅ邋ｕｓｅｄ邋ａｓ邋ｃａｃｈｅ，邋ｍａｉｎ邋ｍｅｍｏｒｙ，邋ａｎｄ邋ｓｏｌｉｄ邋ｓｔａｔｅ邋ｍｅｍｏｒｙ，邋ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．逡逑由计算机的体系结构及其运算发展需要可知，处理器发展到多核处理的主要逡逑因素是为了在相同的时钟内能够提供速度与处理能力都更好的的数据处理能力
较大的电压使阻变层中产生较多的缺陷，该过程被称之为Ｆｏｒｍｉｎｇ。在大的偏压逡逑下的电场中（＞１０ＭＶ／ｃｍ），阻变层中的氧原子会离开晶格，在电场的诱导下向逡逑电极移动。如下图１－３，在高电场下操作后，使薄膜内产生足够多的缺陷，因此逡逑第一次操作（Ｆｏｒｍｍｇ）过程一般需要一个大于ｓｅｔ过程的电压，在该电压的作用逡逑下阻变层的金属氧化物的化学键断裂，氧离子（０Ａ（２－））脱离原来位置形成氧空逡逑位缺陷。随着氧空位缺陷的逐渐增多，最后在阴极和阳极之间会形成由氧空位组逡逑成的一个导电通道，此时器件的阻值会变成低阻；对低阻值的器件施加一个反向逡逑操作电压时，电极附件的氧空位会与氧离子复合，导电通路断裂，器件由低阻态逡逑转变为高阻态，因此此时的高阻态值会比初始值小。图（ｃ）和（ｄ）为氧空位机逡逑制的阻变存储器阻变过程示意图。逡逑低阻态逦Sh阻态逡逑ｍｎ邋ｓｉ逡逑扢化物材料逦产生0逦％逡逑０迁移邋oQ逦潘逡逑Ｆ邋杝酵１逡逑
福睿砺呒
本文编号：2767443
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP333
【图文】：
出很多有待改变的问题，同时如云计算、大数据等新的技术的到来，使新的计算逡逑与存储方式对存储介质提出了更高的要求。随着当今计算机系统的发展，内存体逡逑系为了满足存储的需求发展成了相对更加独立的相关关系。如图１－１所示：缓存逡逑的代表静态随机存储器（ＳＲＡＭ）、动态随机存取存储器（ＤＲＡＭ）与主流存储器的逡逑代表闪存（Ｆｌａｓｈ）及固态驱动器之间形成一个金字塔结构。在该结构中越往下逡逑其完成一个指令所需的时钟的周期越大，但越往上存储的容量反而越小。逡逑Ｔｏｄａｙ＇ｓ邋Ｍｅｍｏｒｙ邋Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ逡逑Ｌａｔｅｎｃｙ逦ＣＰＵ逦Ｃａｐａｃｉｔｙ逡逑Ｉ逦Ｃａｃｈｅ逡逑＜ｎＳ邋ＳＲＡＭ邋Ｌ１Ｌ２）Ｌ３逦｜逡逑￣１0ｎｓ邋ＤＲＡＭ逦Ｍｅｍｏ％邋ｖｏｌａｔｉｌｅ邋－邋ＧＢ逡逑－１０ｐｓ邋ＦＬＡＳＨ逦Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ邋Ｄｒｉｖｅ逦￣邋１００ＧＢ｜逡逑Ｎｏｎ－ｖｏｌａｔｉｌｅ逡逑１邋￣ｍｓ逦Ｈａｒｄ邋Ｄｉｓｋ逦＞邋１ＴＢ逡逑图１－］主流存储器之间形成的金字塔结构：ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、闪存分别用作缓存，主存逡逑储器和固态存储器逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｐｙｒａｍｉｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ邋ｍｅｍｏｒｉｅｓ：邋ＳＲＡＭ，邋ＤＲＡＭ，邋ａｎｄ逡逑ｆｌａｓｈ邋ｍｅｍｏｒｙ邋ａｒｅ邋ｕｓｅｄ邋ａｓ邋ｃａｃｈｅ，邋ｍａｉｎ邋ｍｅｍｏｒｙ，邋ａｎｄ邋ｓｏｌｉｄ邋ｓｔａｔｅ邋ｍｅｍｏｒｙ，邋ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．逡逑由计算机的体系结构及其运算发展需要可知，处理器发展到多核处理的主要逡逑因素是为了在相同的时钟内能够提供速度与处理能力都更好的的数据处理能力
较大的电压使阻变层中产生较多的缺陷，该过程被称之为Ｆｏｒｍｉｎｇ。在大的偏压逡逑下的电场中（＞１０ＭＶ／ｃｍ），阻变层中的氧原子会离开晶格，在电场的诱导下向逡逑电极移动。如下图１－３，在高电场下操作后，使薄膜内产生足够多的缺陷，因此逡逑第一次操作（Ｆｏｒｍｍｇ）过程一般需要一个大于ｓｅｔ过程的电压，在该电压的作用逡逑下阻变层的金属氧化物的化学键断裂，氧离子（０Ａ（２－））脱离原来位置形成氧空逡逑位缺陷。随着氧空位缺陷的逐渐增多，最后在阴极和阳极之间会形成由氧空位组逡逑成的一个导电通道，此时器件的阻值会变成低阻；对低阻值的器件施加一个反向逡逑操作电压时，电极附件的氧空位会与氧离子复合，导电通路断裂，器件由低阻态逡逑转变为高阻态，因此此时的高阻态值会比初始值小。图（ｃ）和（ｄ）为氧空位机逡逑制的阻变存储器阻变过程示意图。逡逑低阻态逦Sh阻态逡逑ｍｎ邋ｓｉ逡逑扢化物材料逦产生0逦％逡逑０迁移邋oQ逦潘逡逑Ｆ邋杝酵１逡逑
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