基于Al互连的电阻型存储器关键技术研究

摘要

以Flash为代表的经典浮栅型非挥发存储器已经取得了巨大成功，但随着工艺尺寸的不断缩小，尤其是到22nm技术带以下，Flash将到达其物理极限。为发展下一代能够接替Flash的非挥发存储器，一些新型存储技术如雨后春笋般涌现。其中，成长最为迅速的阻变存储器(RRAM)备受存储业界关注。
　　目前很多材料都发现具有电阻转变特性，包括过渡族金属氧化物，钙钛矿结构的三元或四元含氧化合物，以及有机薄膜材料。在选择哪种材料作为功能材料时，与标准CMOS逻辑工艺相兼容是一个重要的考虑因素。当前，阻变存储器面临的主要瓶颈是功耗大，其中擦写电流在毫安量级，低阻值在1kohm以下，以及擦写电压3伏以上，器件的电学参数均匀性差，以及可靠性等问题。针对RRAM发展过程中遇到的问题，我们基于Al互连体系提出了一套解决方案。
　　首先我们基于Al互连后端工艺，研究了TiOx基RRAM器件的阻变特性，并研究了不同的电极和氧化时间对器件性能的影响，最终发现功函数较高的电极可以获得较稳定的阻变性能，氧化时间的增加有助于降低器件的功耗;其次提出了N掺杂的AlOx基RRAM存储器，发现其操作电压极低，在0.5V以下，endurance1000次以上，具有低功耗的优势，并研究了不同的N含量对器件性能的影响。接着，针对AlON器件，我们研究了电流set过程对reset电流的影响，发现通过电流set可以明显降低reset电流到50uA以下，并分析了其内在原因。然后我们通过恒流操作表征了其数据保持能力，并采用阻抗分析的方式研究了其导电性，在机理方面取得了一定的研究成果;最后，我们提出了WOx/AlON双层结构RRAM存储器，发现其reset电流可以低至10uA以下，相比单层结构提高了高低阻态，实现了多值存储，接着我们通过测试其交流电容和交流电导表征了其导电性，最后我们分析了其抗噪声能力，并通过随机电报噪声测试结果分析了其不同阻态下的稳定性问题。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 非挥发存储器的发展历程

1．2．1 浮栅型非挥发存储器的崛起与改良

1．2．2 新型非挥发存储器的涌现

1．3 阻变存储器的出现和发展

1．3．1 阻变存储器的基本特性

1．3．2 阻变存储器的现状

1．3．3 阻变存储器遇到的问题

1．4．本论文的研究动机和创新点

1．4．1 本论文的研究动机

1．4．2 本论文的创新点

1．5 本论文的结构安排

第二章 TiOx阻变材料特性及其器件性能研究

2．1 引言

2．2 样品制备方法、测试系统及薄膜表征

2．2．1 样品制备方法及测试系统

2．2．2 TiOx薄膜的表征

2．3 不同电极对器件性能的影响

2．4 氧化时间对器件性能的影响

2．5 小结

第三章 AlON阻变材料特性及器件性能研究

3．1 引言

3．2 样品制备方法，测试系统及样品表征

3．2．1 样品制备方法

3．2．2 测试系统

3．2．3 样品表征

3．3 AlON较AlN以及AlOx的优势

3．4 W／AlON／Al器件的阻变性能及其物理机制的分析

3．4．1 极性

3．4．2 阻变特性

3．4．3 读干扰及数据保持能力

3．4．4 AlON导电性分析及电阻转换机理分析

3．5 N掺杂对器件性能的影响

3．6 操作算法对器件性能的影响

3．7 小结

第四章 WOx／AlON双层结构的研究和分析

4．1 引言

4．2 样品制备方法、测试系统及样品表征

4．2．1 样品制备方法、测试系统

4．2．2 WOx／AlON薄膜的表征

4．3 WOx／AlON与AlON性能对比

4．4 WOx／AlON阻变特性、导电性及阻变机理分析

4．4．1 WOx／AlON阻变特性

4．4．2 WOx／AlON导电特性分析

4．4．3 WOx／AlON阻变机理分析

4．5 多值存储性能及噪声特性

4．5．1 多值存储的潜力

4．5．2 随机电报噪声特性

4．6 小结

第五章 总结与展望

参考文献

硕士期间发表论文情况

致谢

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