基于Al互连的电阻型存储器关键技术研究

发布时间：2020-08-27 07:25

【摘要】：以Flash为代表的经典浮栅型非挥发存储器已经取得了巨大成功,但随着工艺尺寸的不断缩小,尤其是到22nm技术带以下,Flash将到达其物理极限。为发展下一代能够接替Flash的非挥发存储器,一些新型存储技术如雨后春笋般涌现。其中,成长最为迅速的阻变存储器(RRAM)备受存储业界关注。目前很多材料都发现具有电阻转变特性,包括过渡族金属氧化物,钙钛矿结构的三元或四元含氧化合物,以及有机薄膜材料。在选择哪种材料作为功能材料时,与标准CMOS逻辑工艺相兼容是一个重要的考虑因素。当前,阻变存储器面临的主要瓶颈是功耗大,其中擦写电流在毫安量级,低阻值在lkohm以下,以及擦写电压3伏以上,器件的电学参数均匀性差,以及可靠性等问题。针对RRAM发展过程中遇到的问题,我们基于AI互连体系提出了一套解决方案。首先我们基于AI互连后端工艺,研究了TiOx基RRAM器件的阻变特性,并研究了不同的电极和氧化时间对器件性能的影响,最终发现功函数较高的电极可以获得较稳定的阻变性能,氧化时间的增加有助于降低器件的功耗；其次提出了N掺杂的AIOx基RRAM存储器,发现其操作电压极低,在0.5V以下,endurance1000次以上,具有低功耗的优势,并研究了不同的N含量对器件性能的影响。接着,针对AION器件,我们研究了电流set过程对reset电流的影响,发现通过电流set可以明显降低reset电流到50uA以下,并分析了其内在原因。然后我们通过恒流操作表征了其数据保持能力,并采用阻抗分析的方式研究了其导电性,在机理方面取得了一定的研究成果；最后,我们提出了WOx/AION双层结构RRAM存储器,发现其reset电流可以低至10uA以下,相比单层结构提高了高低阻态,实现了多值存储,接着我们通过测试其交流电容和交流电导表征了其导电性,最后我们分析了其抗噪声能力,并通过随机电报噪声测试结果分析了其不同阻态下的稳定性问题。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP333
【图文】：

半导体存储器

是集成电路产业不可或缺的重要组成部分。半导体存储器是应用面最广、市场比例最高的集成电路基础性产品，即便是存储器产业大幅度衰退的2008年，我国市场的存储器年需求也达到190亿美金，占我国集成电路市场总需求的近22%。目前，我国存储器需求几乎完全依赖进口，为受外部制约最严重的基础产品之一，给我国信息产业的持续发展甚至国家信安全带来严重的战略风险。因此，从整个国家利益、国民经济战略意义的角度，展拥有自主可控的半导存储器产业至关重要。1.2非挥发存储器的发展历程半导体存储器分类情况如图1.2. 1所示，根据存储器切断电源后能否保存数据的特性，分为挥发性和非挥发性两大类。挥发性存储器在断电后数据消失，该型的存储器主要包括动态随机存储器(DRAM)，和静态随机存储器(SRAM)。而非发存储器在断电后数据仍能保持。传统的非挥发存储器多是基于浮栅型的，如lash, EEPROM,已主宰非挥发存储器市场30年之久。Semiconductor Memories

半导体工艺,浮栅

电荷俘获型的SONOS，以及铁电存储器（FeRAM)，相变存储器（PCM)，磁存储器(MRAM)，阻变存储器(RRAM)等，非挥发存储器随技术代的发展如图1.2.2所示。Ceil size【内 f- ：?!' ；!?<<；'J evolutionary"disruptive30— ^embedded 2。- .一‘-, code I10-R誔CM 一； / ^datafill I I I I I ' ?180 130 90 65 5x 4x 3x 2x ixTechn.node F [nm]图1.2.2非挥发存储器随半导体工艺节点的发展1. 2. 1浮栅型非挥发存储器的崛起与改良浮栅型非挥发存储器(flash)起源于1967年D. Kahng等人提出的MIMIS (Metal- Insulator-Metal-Insulator-Silicon)结构[1]。它在传统的MOSFET上增加了一层金属浮栅和一层超薄隧穿氧化层，并利用浮栅来存储电荷。1971年，Intel公司首次推出了商业化的浮栅器件FAMOS(Floating-gateAvalanche-injection MOS) [2]。它懫用P型沟道的雪崩电子注入，大大提高了编程效率。在写入数据前，浮栅是不带电的，要使浮栅带负电荷，必须在漏、栅极加足够高的电压（如25V)，使漏极与衬底间的PN结反向击穿，产生大量高能电子。这些电子穿过超薄氧化层堆积在浮栅上，从而使浮栅带有负电荷。当移去外加电压后

Flash结构

可进行读、擦除、写操作，为系统的设计和在线调试提供了极大的方便。但为防止擦除后浮栅中正电荷造成短路，必须增加一个选通管，不过这使得EEPROM单元面积增大，降低了集成密度。在EPROM和EEPROM的基础上，Flash为获得更高的密度及节约成本，省去了选通管，同时在架构上引进了按块擦除的概念，极大的提高了擦除速度。根据结构不同，Flash可以分为NOR和NAND两类，前者具有较快的随机读取性能，多用于存储计算机指令(Code);后者的优势是连续性操作较快、集成度较高，多用于存储视频、书籍等资料(Data)。图1. 2. 3示意了NOR和NAND的结构。前者是NOR的结构，每个存储单元均通过一个通孔(contact)与字线连接，相邻两单元共享一根位线，通过位线与字线选中某一特定的单元进行操作，所以其随机读取数据的速度快，大约为NAND速度的10到250倍左右；后者是NAND结构，大幅度减少了通孔数，采用串连的方式将若干个存储单元连接到位线，读取一位数据时电流需要流过其它与之串连的晶体管，故读取速度较慢，但这样的结构适用于顺序批量读取数据，故较多用于存储Data，另外，NAND的结构决定了其工作电流较小，数据的写入可以采用批量写入的方式，故其写入速度大约是NOR的1. 2到5倍。

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