基于氧化钽阻变存储器可靠性优化研究

发布时间：2020-10-16 04:25

　　 21世纪存储技术的主要发展特点是:超大容量、超高密度的信息存储以及超快信息传输速度。随着工艺节点的不断降低,占据主要市场的Flash存储器面临着量子隧穿和电容耦合等问题。新型存储技术成为了存储器领域的研究热点,有望取代浮栅结构存储技术。其中,以电阻转变效应的阻变存储器是最具应用前景的下一代非易失性存储器之一。阻变存储器具有结构简单,功耗低,与CMOS工艺兼容,集成密度高等优势,国际半导体技术路线图(ITRS)指出,“阻变存储器是一类最具商业化前景而值得加大研发力量投入的新型存储技术之一”。然而,阻变存储器在获得大规模量产之前,尚有若干关键性技术性的问题亟待解决,如:电阻转变机制不明确,缺乏普适性的器件模型,阻变器件均一性差,器件可靠性有待提高;适合集成的自选通阻变器件的缺失等。针对上述问题,本文从阻变存储器可靠性出发,从导电细丝生长动力学,器件工艺表征以及器件编程能量优化工作方面开展了研究,取得了以下对可靠性优化的成果:(1)双层结构已被广泛采用以提高导电桥电阻随机存储器(CBRAM)的可靠性。在这项工作中,我们提出了一种方便和经济的解决方案,通过使用低温退火工艺实现Ta_2O_5/TaO_x双层结构。在该结构中TaO_x层充当串联电阻的作用,在编程期间抑制溢出电流,从而实现自限流,抑制过冲现象。实验结果表明,由于抑制了过冲现象,高阻态和低阻态的电阻分布得到改善。此外,由于阻变层中缺陷在退火过程中得到了修复,CBRAM的LRS的保持特性明显提高。这项工作不仅提供了一种简单而经济的方法来提高CBRAM的可靠性,而且使用的材料完全兼容CMOS工艺。(2)器件使用不同的脉冲操作方式对提高阻变存储器可靠性有很大的影响。本项工作中,我们提出了一种脉冲编程方案改善了 TaO_y/Ta_2O_5/TaO_x三层结构的耐久性和高低阻态的均一性。首先使用了TEM,EDS元素分析对器件进行表征,验证了器件的结构。根据器件耐久性的失效行为,分析了器件的失效的的物理机制是复位操作时能量过高,导致细丝与电极之间的间隙逐渐增大,从而致使器件失效。使用低能量的优化脉冲方案后,器件的耐久性得到改善,同时,器件的高低阻态的稳定性增强。本工作不仅对器件可靠性做了改进,而且完全兼容在硬件电路系统上基本脉冲发送电路的设计,可间接性降低外围电路系统设计成本。本文的工作旨在为RRAM产业化做了工作铺垫,基于以上器件设计及脉冲下操作实验,确定了RRAM器件演变方向。从工艺角度和脉冲算法的角度对器件进行优化和改进,确保合适的编程脉冲从而保证RRAM存储器存储信息的真正能力。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

磁存储器（Ｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｒａｎｄｏｍ?Ａｃｃｅｓｓ?Ｍｅｍｏｒｙ，ＭＲＡＭ）?［６］，相变存储器（Ｐｈａｓｅ??Ｒａｎｄｏｍ?Ａｃｃｅｓｓ?Ｍｅｍｏｒｙ，ＰＲＡＭ）?［７］和阻变存储器（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ?Ｒａｎｄｏｍ?Ａｃｃｅｓｓ??Ｍｅｍｏｒｙ，ＲＲＡＭ）?％ｎ］。这些正是图１－２中最不成熟的新型存储器，但如果可以??克服各种科学和技术障碍，它们已被证明具有显着的潜在优势。本节会概述这些??新兴技术

电材料的特性来实现数据存储功能的存储器［１９］。铁电材料的晶体结构在没有外??加电场的情况下就有自发极化的现象，这种自发极化的方向可以被外加电场反转??或者重新定向，这种效应被称为“铁电效应”。图１－４是基于锆钛酸铅（ＰＺＴ）??钙钛矿材料的铁电存储器的工作原理。当电场施加在铁电晶体时，中心原子沿电??场方向移动并停在低能量状态Ｉ的位置，当反向电场作用在同一铁晶体时，中心??原子延电场方向移动最终停在另一低能量状态ＩＩ。这种铁电材料的二元稳定状态??５??

?｜?＼?＼??电场?＆?＼??图１－４铁电存储器的工作原理??Ｆｉｇ．?１－４?ＦｅＲＡＭ?ｗｏｒｋｉｎｇ?ｐｒｉｃｉｐｌｅ??铁电存储器存储单元结构形式大致可以分为破坏性读出（ＤＲＯ）铁电存储??结构和非破坏性读出ＣＮＤＲＯ）铁电存储结构。如图１－５?（ａ），?１Ｔ１Ｃ结构是典型??的ＤＲＯ铁电存储结构，需要设置灵敏放大器的参考电平，这个参考电平的值要??位于“０”和“１”两个状态之间。利用铁电薄膜的极化翻转进行读写操作。铁电??薄膜翻转后状态发生了变化，因此该结构称为破坏性读出。图１－５?（ｂ）所示结构??为典型的ＮＤＲＯ铁电存储结构，该结构利用铁电材料的极化强度电导调制效应??存储数据。在读取过程中，并不改变铁电薄膜的电畴，因此这一结构的读取是非??破坏性的。??铁电存储器相对于浮栅技术器件有着写入速度快、高耐久性及低功耗等优??势，适用于频繁掉电的环境、高噪声环境以及非接触式存储器领域。不过铁电存??储器也有自己的问题，例如破坏性读取会加速铁电材料的老化；反复记录多次会??由于材料产生疲劳数据无法辨认；反复写入相同数据产生惯性导致无法再写入其??他数据等［２（）＇２１］。同时
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本文编号：2842757