基于氧化钽阻变存储器的结构优化及其可靠性研究
发布时间：2021-04-15 02:17
近年来,随着云存储、物联网、人工智能等应用的发展,存储设备面临着高性能、低成本、高集成度的要求。另一方面,随着半导体工艺节点的不断缩小,Flash存储器存在操作速度慢,编程/擦除电压高、功耗高等缺点,这在很大程度上限制了其在创新技术领域的应用。鉴于此,业界对下一代非易失性存储器技术进行了大量的研究。阻变存储器因其简单的结构、低功耗、良好的可靠性、低制造成本和良好的CMOS兼容性等优点而备受关注,被认为是最有潜力的新型存储技术。虽然研究人员对RRAM的材料、机理和可靠性进行了很多研究,但是在实现大规模商业化量产之前,阻变存储器还面临一些挑战,如大规模制造中的器件离散型,可靠性优化,读干扰等问题。针对这些问题,我们对器件结构和编程策略进行协同设计,优化了器件可靠性,并最终在40 nm工艺平台进行了集成验证。（1）为兼容标准的CMOS逻辑制程,我们设计了基于氧化钽材料的阻变存储器。针对离散性问题,通过引入缓冲层结构,有效调节器件编程过程中氧离子的抽取和注入量。由于避免了过度编程产生的缺陷,因此器件参数的均一性得到了提高。（2）基于器件的耐久性失效行为建立失效模型。在编程过程中,器件中导电细丝...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
信息通信技术系统中的存储器金字塔结构示例图[2]
兰州大学硕士学位论文基于氧化钽阻变存储器的结构优化及其可靠性研究3控制栅与浮栅之间的耦合系数会不断下降，而阵列中存储单元之间的距离同样会越来越小，导致相邻浮栅之间的串扰越来越严重，主要表现为读串扰和编程串扰。图1.2（a）Flash基本存储单元结构示意图，（b-c）氧化层减薄引起漏电流增加[10]针对半导体集成电路存储器结构中速度差异和功耗增加的问题，以及传统Flash器件在更低的工艺节点下遇到的瓶颈，必须开发既能降低功耗又能提高速度性能的大规模集成电路，并将其商业化，而在这当中存储器是关键技术。当前，半导体业界、科研界和学术界已积极参与新型非易失性存储器的研发，主要有磁阻式随机存取存储器（MagneticRandomAccessMemory,MRAM），相变随机存取存储器（PhaseChangeRandomAccessMemory,PCRAM），铁电随机存取存储器（FerroelectricRandomAccessMemory,FeRAM），以及阻变随机存取存储器（ResistiveRandomAccessMemory,RRAM）。1.2新型非易失性存储器1.2.1磁阻存储器磁阻式随机存取存储器（MRAM）是20世纪90年代随着磁隧道结（MagneticTunnelJunction,MTJ）的发明[11]而发展起来的一种非易失性存储器。MRAM的基本单元结构为磁性隧道结（MTJ），如图1.3所示，主要由固定磁层（FixedLayer）、自由磁层（FreeLayer）和绝缘隧道隔离层（BarrierLayer）组成[12]，磁化方向固定的固定磁层，也称为“钉扎”（Pinnedlayer）层。在外加电压作用下，当自由磁层的磁化方向与固定磁层的方向平行时，通过绝缘隧道层的电子受到的散射很小，器件为低阻，“ON”状态；反之，自由磁层的磁化方向与固定磁层的方向反平行时，器件处于高阻，“OFF”的状态。这两种不同的电阻状态可以实现数据二进制“0”和“1”存储。自旋转扭矩磁
号对磁性的干扰较弱，这样器件中的磁场极性不会像电荷那样会随时发生泄漏，因此MRAM的抗干扰能力较传统的电荷存储器明显提高，这样能够避免存储信息的丢失[15]。MRAM磁性转换时不会发生电子或原子的实际移动，因此磁存储器的耐受性好，操作速度快、功耗低，应用领域广泛[16]。但MRAM也面临一些问题，如当隧道层薄膜厚度极薄（~1nm）时，器件尺寸过小会造成电流不足，导致磁化方向难以翻转；在对器件进行擦写操作时，MRAM的位存储容易受到干扰；磁性材料薄膜的制备工艺比较复杂，而且均一性较差。图1.3经（a）读取和（b）写入操作的MRAM单元的结构示意图，插图是两种电阻状态下MTJ中各层的磁性方向示意图[12]1.2.2相变存储器相变存储器（PCRAM）利用相变材料通过加热可在两种状态（结晶态和非晶态）之间实现可逆转变的独特性能，将这两种状态的不同电阻状态用于数据存储。Ovshinsky在20世纪60年代提出了基于相变理论的存储器[17]，研究的相变材料主要是Ge2Sb2Te5（GST）。PCRAM的基本单元结构如图1.4所示[18]，具有金属-绝缘体-金属（MetalInsulatorMetal,MIM）结构，PCRAM利用外加电场（电脉冲）引起温度变化，促使相变材料的相态发生晶态与非晶态之间的可逆转变。相变材料由非晶态转变为晶态时，器件由高阻态转变为低阻态，定义为“1”；反之，相变材料从晶态转变为非晶态时，器件的电阻状态由低阻转变为高阻，定义为“0”。与传统的Flash相比，PCRAM器件可承受更多的写入次数（重复可擦写次
本文编号：3138475
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
信息通信技术系统中的存储器金字塔结构示例图[2]
兰州大学硕士学位论文基于氧化钽阻变存储器的结构优化及其可靠性研究3控制栅与浮栅之间的耦合系数会不断下降，而阵列中存储单元之间的距离同样会越来越小，导致相邻浮栅之间的串扰越来越严重，主要表现为读串扰和编程串扰。图1.2（a）Flash基本存储单元结构示意图，（b-c）氧化层减薄引起漏电流增加[10]针对半导体集成电路存储器结构中速度差异和功耗增加的问题，以及传统Flash器件在更低的工艺节点下遇到的瓶颈，必须开发既能降低功耗又能提高速度性能的大规模集成电路，并将其商业化，而在这当中存储器是关键技术。当前，半导体业界、科研界和学术界已积极参与新型非易失性存储器的研发，主要有磁阻式随机存取存储器（MagneticRandomAccessMemory,MRAM），相变随机存取存储器（PhaseChangeRandomAccessMemory,PCRAM），铁电随机存取存储器（FerroelectricRandomAccessMemory,FeRAM），以及阻变随机存取存储器（ResistiveRandomAccessMemory,RRAM）。1.2新型非易失性存储器1.2.1磁阻存储器磁阻式随机存取存储器（MRAM）是20世纪90年代随着磁隧道结（MagneticTunnelJunction,MTJ）的发明[11]而发展起来的一种非易失性存储器。MRAM的基本单元结构为磁性隧道结（MTJ），如图1.3所示，主要由固定磁层（FixedLayer）、自由磁层（FreeLayer）和绝缘隧道隔离层（BarrierLayer）组成[12]，磁化方向固定的固定磁层，也称为“钉扎”（Pinnedlayer）层。在外加电压作用下，当自由磁层的磁化方向与固定磁层的方向平行时，通过绝缘隧道层的电子受到的散射很小，器件为低阻，“ON”状态；反之，自由磁层的磁化方向与固定磁层的方向反平行时，器件处于高阻，“OFF”的状态。这两种不同的电阻状态可以实现数据二进制“0”和“1”存储。自旋转扭矩磁
号对磁性的干扰较弱，这样器件中的磁场极性不会像电荷那样会随时发生泄漏，因此MRAM的抗干扰能力较传统的电荷存储器明显提高，这样能够避免存储信息的丢失[15]。MRAM磁性转换时不会发生电子或原子的实际移动，因此磁存储器的耐受性好，操作速度快、功耗低，应用领域广泛[16]。但MRAM也面临一些问题，如当隧道层薄膜厚度极薄（~1nm）时，器件尺寸过小会造成电流不足，导致磁化方向难以翻转；在对器件进行擦写操作时，MRAM的位存储容易受到干扰；磁性材料薄膜的制备工艺比较复杂，而且均一性较差。图1.3经（a）读取和（b）写入操作的MRAM单元的结构示意图，插图是两种电阻状态下MTJ中各层的磁性方向示意图[12]1.2.2相变存储器相变存储器（PCRAM）利用相变材料通过加热可在两种状态（结晶态和非晶态）之间实现可逆转变的独特性能，将这两种状态的不同电阻状态用于数据存储。Ovshinsky在20世纪60年代提出了基于相变理论的存储器[17]，研究的相变材料主要是Ge2Sb2Te5（GST）。PCRAM的基本单元结构如图1.4所示[18]，具有金属-绝缘体-金属（MetalInsulatorMetal,MIM）结构，PCRAM利用外加电场（电脉冲）引起温度变化，促使相变材料的相态发生晶态与非晶态之间的可逆转变。相变材料由非晶态转变为晶态时，器件由高阻态转变为低阻态，定义为“1”；反之，相变材料从晶态转变为非晶态时，器件的电阻状态由低阻转变为高阻，定义为“0”。与传统的Flash相比，PCRAM器件可承受更多的写入次数（重复可擦写次
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