基于1T1R结构的阻变存储器失效机理研究

发布时间：2017-05-29 06:12

  本文关键词：基于1T1R结构的阻变存储器失效机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电荷俘获型存储器逐渐走向物理尺寸极限,国内外科研人员纷纷采用新型的存储机制取代浮栅结构,设计出全新的非挥发存储器来代替flash存储技术。其中,阻变存储器(ReRAM)具有MIM简单器件结构,制备工艺与传统CMOS工艺技术完美兼容,交叉阵列结构面积小,在高密度存储方面具有明显优势。然而,要实现ReRAM的应用前景,完善的存储机理和良好的可靠性是必要的。近几年,国际上各研究组集中精力研究ReRAM的机理分析,并为提高器件可靠性做努力。在可靠性研究方面,弄清楚ReRAM的数据保持失效机制,将有助于提高器件性能,延长器件寿命,促进ReRAM早日实现实用化。本论文针对ReRAM的可靠性问题,创新性的以1T1R阵列存储单元作为研究对象,分析1T1R结构引发的可靠性问题,并探讨ReRAM数据保持特性(Data Retention)的失效机制,建立失效模型。 首先,在0.13um CMOS工艺及后道互连工艺的基础上,完成了1T1R结构的1Kb ReRAM阵列。1T1R以铜栓作为ReRAM的下电极,Cu/HfOx/Pt结构的ReRAM器件直接在Cu电极上集成。采用liftoff工艺实现ReRAM单元及位线的图形化,在1T1R阵列中位线与列译码器接口处用金属相连。 其次,分析1T1R结构引发的可靠性问题,包括对阵列编程成功率的影响和对器件多值存储的限制。通过对ReRAM的电压降(VRRAM)进行原位观察,发现在1T1R中进行编程操作时,栅端电压不仅要克服衬底-源端偏压增大造成的阈值电压的偏移,还要克服源端电压的升高。在一定栅压下,当ReRAM和晶体管的电流相等时,VRRAM保持不变,器件无法正常编程,因此阵列中ReRAM的编程成功率受到影响。在高栅压下,ReRAM多级存储的调控下降,ReRAM多值存储将受到限制。对于给定的栅压和高阻态电阻值,存在可允许的最大编程电压值。 第三,不同于以往选取部分存储单元作为研究对象,本文以1Kb阵列的存储单元作为研究对象,采用统计的方法分析ReRAM的数据保持特性。基于不同循环下高低阻态的Retention特性,提出了铜离子扩散的失效模型。模型认为低阻态下铜离子从金属细丝中扩散的概率与氧化物中铜离子的浓度cn和Cu离子跃迁的激活能成反比。随循环次数增多,Cu扩散的概率变小,LRS Retention特性变好；细丝中Cu+的隧穿间距dn减小,填充tunnel gap所需铜离子数目减少,HRSRetention特性变差。最后,提出采用电流编程模式提高ReRAM高低阻态的Retention特性。由于电流编程下容易形成单根细丝,对于相同的有效细丝面积,单根细丝下铜从细丝中扩散的概率小；在电流编程模式下,高阻态的电阻值明显提高,tunnel gap增加。因此,高低阻态的Retention特性都变好。
【关键词】：阻变存储器 1T1R 可靠性 数据保持特性 扩散模型
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333
【目录】：

• Content7-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 传统非挥发存储技术14-18
• 1.1.1 浮栅Flash存储技术基本现状和发展瓶颈14-16
• 1.1.2 传统浮栅存储器的改进方案16-18
• 1.2 新型非挥发存储技术18-22
• 1.2.1 相变存储器(PCM)18-19
• 1.2.2 铁电随机存取存储器19-20
• 1.2.3 磁阻存储器20-21
• 1.2.4 阻变存储器21-22
• 1.3 选题动机及研究主题22-24
• 1.3.1 选题动机22-23
• 1.3.2 研究主题23-24
• 1.4 参考文献24-28
• 第二章 ReRAM概述及测试系统28-50
• 2.1 ReRAM的材料体系28-31
• 2.1.1 固态电解液材料28-29
• 2.1.2 二元金属氧化物材料29-30
• 2.1.3 有机材料30-31
• 2.2 ReRAM性能指标31-34
• 2.2.1 操作电压31
• 2.2.2 存储窗口和开关速度31-32
• 2.2.3 耐久性与数据保持特性32-33
• 2.2.4 均一性33
• 2.2.5 多值存储33-34
• 2.2.6 器件缩小特性34
• 2.3 ReRAM集成结构34-36
• 2.3.1 有源阵列34-35
• 2.3.2 无源阵列35-36
• 2.4 ReRAM阻变机理36-40
• 2.4.1 导电细丝类型36-37
• 2.4.2 界面调制类型37-39
• 2.4.3 缺陷能级效应39-40
• 2.5 阵列测试系统40-44
• 2.5.1 系统总体结构和功能40-41
• 2.5.2 硬件连接41-43
• 2.5.3 软件控制43
• 2.5.4 测试系统的验证43-44
• 2.6 本章小结44-45
• 2.7 参考文献45-50
• 第三章 1T1R结构引发的ReRAM可靠性问题50-63
• 3.1 实验样品制备50-53
• 3.1.1 1Kb ReRAM阵列基础51-52
• 3.1.2 基于1T1R结构的ReRAM阵列集成工艺52-53
• 3.2 1T1R结构引发的可靠性问题53-57
• 3.2.1 1T1R结构编程时对不同类型ReRAM的影响53-54
• 3.2.2 1T1R结构对阵列编程成功率的影响54-55
• 3.2.3 1T1R结构对多值存储的影响55-57
• 3.3 1T1R结构可靠性问题分析57-59
• 3.4 可靠性问题的解决方案59-60
• 3.5 本章小结60-61
• 3.6 参考文献61-63
• 第四章 基于1T1R结构的阻变存储器失效机理研究63-83
• 4.1 实验过程63-66
• 4.1.1 实验对象63-64
• 4.1.2 实验设备64-65
• 4.1.3 测试过程65-66
• 4.2 不同循环次数下的数据保持特性66-73
• 4.2.1 不同循环次数下数据保持特性测试66-69
• 4.2.2 Retention失效机理的分析69-73
• 4.3 不同编程模式下的数据保持特性73-78
• 4.3.1 1T1R结构ReRAM的编程模式73-74
• 4.3.2 不同编程模式下数据保持特性测试74-75
• 4.3.3 失效机理的分析75-78
• 4.4 本章小结78-79
• 4.5 参考文献79-83
• 第五章 总结与展望83-85
• 5.1 论文工作总结83-84
• 5.2 未来工作展望84-85
• 致谢85-86
• 论文和专利86-87
• 学位论文评阅及答辩情况表87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 周益春;唐明华;;铁电薄膜及铁电存储器的研究进展[J];材料导报;2009年09期

  本文关键词：基于1T1R结构的阻变存储器失效机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：404325