基于阻變存儲(chǔ)器集成結(jié)構(gòu)和編程方法的研究.pdf

1、摩爾定律問世已40多年，人們無不驚訝于半導(dǎo)體芯片制造工藝令人目眩的發(fā)展速度。隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷往前推進(jìn)，當(dāng)前市場(chǎng)上主流非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)——“閃存”遭遇到嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸，主要是基于浮柵存儲(chǔ)機(jī)制的F1ash存儲(chǔ)器隨技術(shù)代發(fā)展的可縮小性受阻。而在當(dāng)今信息社會(huì)中，伴隨著3G時(shí)代、高清時(shí)代、海量存儲(chǔ)等概念的日益盛行，市場(chǎng)對(duì)掉電后仍具有數(shù)據(jù)保持能力的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的訴求在往體積更小、存儲(chǔ)密度更大、可靠性更高的方向發(fā)展。針對(duì)這種局面，國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體產(chǎn)學(xué)研

2、界紛紛對(duì)F1ash的繼任者——下一代新型非揮發(fā)性存儲(chǔ)器展開研究，主要包括分立式電荷存儲(chǔ)器(CTM)、鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)、磁存儲(chǔ)器(MRAM)、相變存儲(chǔ)器(PRAM)以及阻變存儲(chǔ)器(RRAM)。其中RRAM因其具有高速、高密度、低功耗、高集成度、多值存儲(chǔ)、制備工藝簡(jiǎn)單以及低成本等優(yōu)勢(shì)，引起了人們的廣泛關(guān)注并成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)，成為下一代“通用存儲(chǔ)器”的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。本論文圍繞ZrO2、HfO2這兩種在現(xiàn)代CMOS工藝中被認(rèn)為是很有

3、希望的高k介質(zhì)材料，采用下電極為Pt，上電極為Cu這一較為成熟的材料體系，開展了對(duì)RRAM器件的1T1R集成結(jié)構(gòu)和采用電流掃描方式進(jìn)行編程的研究。
　　 針對(duì)RRAM單管器件在集成陣列時(shí)遇到的交叉串?dāng)_問題以及在小限流情況下出現(xiàn)的限流失效問題，我們探索了1T1R集成結(jié)構(gòu)的制備工藝及其相應(yīng)的測(cè)試方法。其中晶體管是基于標(biāo)準(zhǔn)0.13μm工藝制備，采用這種方式進(jìn)行集成可以在兼容現(xiàn)代CMOS工藝的前提下對(duì)更多的RRAM材料體系開展研究工作，

4、同時(shí)我們?cè)诩蓵r(shí)采用將阻變存儲(chǔ)器的下電極引出作為監(jiān)視電極的方法，有針對(duì)性的對(duì)同一個(gè)RRAM器件在采用不同限流方式下的器件性能進(jìn)行了比較，采用1T1R集成結(jié)構(gòu)時(shí)，晶體管不僅可以作為陣列中的選通器件，而且在單個(gè)存儲(chǔ)單元中還能作為阻變存儲(chǔ)器從高阻態(tài)向低阻態(tài)置位(SET)操作時(shí)的限流器件。采用晶體管這一理想限流器時(shí)可以對(duì)阻變存儲(chǔ)器低阻態(tài)的大小進(jìn)行更為有效的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)。
　　 目前研究看來，基于固態(tài)電解質(zhì)體系的RRAM器件的物

5、理機(jī)制相對(duì)比較清晰，但制約這類器件發(fā)展的關(guān)鍵因素之一就是在于其電阻轉(zhuǎn)變參數(shù)分布的離散性過大。為了改善電學(xué)參數(shù)分布的均一性，我們?cè)诓桓淖僐RAM器件材料體系和結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)其采用電流掃描方式進(jìn)行編程操作。相對(duì)于傳統(tǒng)的電壓掃描方式，這種新的編程方法可以通過在RRAM器件從低阻態(tài)復(fù)位(RESET)到高阻態(tài)的過程中由于其類似于正反饋式的能量積累方式，消除復(fù)位過程中的中間態(tài)直接使器件達(dá)到最終態(tài)，從而改善高阻態(tài)分布的均一性。另外，在采用電流掃描對(duì)器