新型非易失性半導(dǎo)體存儲器件及電路研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,半導(dǎo)體工藝也不斷向更小尺寸推進(jìn)。由于受到器件性能要求的限制,目前主流的基于MOS結(jié)構(gòu)的Flash非易失性存儲器的可縮小性受到限制。為了克服當(dāng)前非易失性半導(dǎo)體存儲技術(shù)發(fā)展所面臨的困難,目前國際上學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究主要聚焦在兩種有潛力和希望的下一代非易失性存儲技術(shù)上——阻變型非易失性存儲技術(shù)和納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非易失性存儲技術(shù)。這里以尋找適合應(yīng)用的新型非易失性半導(dǎo)體存儲技術(shù)為目標(biāo),基于上述兩種新型非易失性存儲技術(shù)作

2、為研究對象,分別針對兩個研究方向——對阻變型非易失性存儲器單元電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究,和對納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非易失性存儲器件的結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn),展開了研究工作。
　　阻變型非易失性存儲技術(shù)(RRAM)的數(shù)據(jù)存取速度能與靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)相匹敵,而可實(shí)現(xiàn)的存儲容量能趕上NAND型的Flash存儲器件。并且RRAM兩端的器件結(jié)構(gòu)簡單,制備工藝兼容于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工技術(shù),器件的可縮小性良好,且相對于CMOS工藝的步驟更加簡化,生產(chǎn)

3、成本更低。阻變型非易失性存儲器相對于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲器表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢,非常適合工業(yè)大批量生產(chǎn)。為了進(jìn)一步確定阻變型非易失性存儲器的擦寫速度、器件功耗和集成度等實(shí)用化的性能指標(biāo),本文以阻變型非易失性存儲單元的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計為著手點(diǎn),并針對不同的存儲陣列電路結(jié)構(gòu),分析存儲單元的器件面積、延時和功耗特性。使用HSPICE電學(xué)仿真軟件,針對雙極型和單極型兩種不同的電阻轉(zhuǎn)變類型和不同的器件工藝尺寸,對阻變型非易失性存儲單元電路的延時和功耗性能進(jìn)

4、行了模擬,對仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析。確定了1T1R結(jié)構(gòu)電路單元更適用于雙極型的阻變型非易失性存儲器件,而1D1R結(jié)構(gòu)電路單元只適用于單極型的阻變型非易失性存儲器件。同時,模擬結(jié)果為確定制備阻變型非易失性存儲器的性能指標(biāo)提供了參考。
　　在對納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非易失性存儲器的研究中,從器件結(jié)構(gòu)和能帶的角度出發(fā)分析了提高存儲器件性能的可能途徑。建立了納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的存儲模型,并在模型中考慮了量子限制效應(yīng)對納米晶存儲性能的影響?；谀Ｐ陀嬎?

5、分析了納米晶材料、high-κ隧穿介質(zhì)材料和厚度對納米晶浮柵結(jié)構(gòu)存儲性能的影響。分析結(jié)果表明,金屬納米晶比半導(dǎo)體納米晶具有更好的數(shù)據(jù)保持特性,引入high-κ介質(zhì)可以很大程度提高浮柵結(jié)構(gòu)的存儲性能。higk-κ介質(zhì)較低的能帶勢壘高度有利于加快數(shù)據(jù)擦寫速度,縮短存儲操作的編程工作時間,降低擦寫操作的工作電壓;higk-κ介質(zhì)數(shù)倍于SiO2材料的介電常數(shù),保證了相同等效氧化層EOT厚度的higk-κ介質(zhì)可以提供數(shù)倍于SiO2材料的物理厚度,