TaO_x基阻变存储器性能及低功耗特性优化

发布时间：2020-11-05 22:43

　　 大数据、区块链等新兴产业对数据存储的需求主要为非挥发性存储器(Non-volatile Memory),目前市场主流以闪存(Flash)和硬盘(Hard Disk)为主。但前者由于逼近工艺极限而难以尺寸缩小,后者因速度过慢不适应市场需求,所以新型非挥发性存储器的开发需求日益增加。阻变存储器由于其高集成密度(4F~2)、快读写速度(纳秒级)、低功耗及易与CMOS工艺相兼容等优点成为下一代存储器的有力竞争者。同时,由于柔性消费电子产品市场的逐渐兴起,电池技术没有突破性进展的情况下,快速脉冲操作下的阻变存储器的低功耗性能被学界和工业界极度重视。但阻变存储器在应用中存在着稳定性不佳及低功耗实现困难等问题,因此,本论文主要通过研究TaO_x为基础的离子型阻变结构单元,对器件的稳定性及低功耗特性进行集中优化。首先,本文将Ta/TaO_x/Pt结构的中间层工艺进行了优化,得到了耐久性较好的阻变层工艺;其次,对Ta/TaO_x/Pt的上电极材料进行了更换,得到了高低阻值一致性较好的Hf/TaO_x/Pt器件,并建立了模型,简要解释了该器件一致性提升机理;而后,对电极工程中更换Al电极得到的低功耗器件的耐久性进行了集中优化,耐久性从不足百次提升至2700余次;最后,在Ta/TaO_x/Pt器件的上界面插入纳米Al插层,在保持器件仍然具备较低功耗的同时,将耐久性提升至万余次。通过一系列的实验及表征,文章得到并研究了低功耗、高可靠性的阻变存储器实现方法及机理。最终得到的器件电流控制在10uA级别,P_(SET)及P_(RESET)小于20μW,P_(READ)控制在5μW,Endurance性能达到2700。插层器件在较低功耗下实现了10~5次循环。
【学位单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

存储器的分类两者定义的区别是断电后是否能够保存数据

嵌环形栅的 Flash 工艺流程示意图；（b）圆柱形通孔 V-NAND Flash定律逼近物理极限，无论是处理芯片还是存储器芯片，半导不断提升单位尺寸内的性能。但单位性能已经不是现阶段唯为地球最强性能的代表，理论上看，只要级联的芯片足够多

2。图1.3 （a）带有信息线结构的MRAM存储单元；（b）STT-MRAM结构示意图[53]但 MRAM 也存在它的问题，由于其钉扎层常用铁磁性材料（CoFeB 等），在现有工艺节点下，这类材料的干法刻蚀困难，极薄的 MgO 层厚度（~1nm）要求刻蚀和清洗后的侧壁绝对清洁，否则就会出现缺陷，这是非常具有挑战性的。CoFeB/MgO 界面提供的各向异性也太弱，无法保证在小于 20nm 的结构尺寸下保持 10 年。集成度问题使得 STT-MRAM 更适合于替代集成度不高的 SRAM，或者应用在 MCU（micro-controllerunit）等嵌入式领域。1.2.2 相变存储器相变存储器 PcRAM 的结构和 STT-MRAM 结构较为类似，其中的 MJT 被 MPM（Metal-PCM-Metal;PCM,phasechangematerial）取代
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本文编号：2872290