TaOx基阻变存储器性能及低功耗特性优化

摘要

大数据、区块链等新兴产业对数据存储的需求主要为非挥发性存储器（Non-volatile Memory），目前市场主流以闪存（Flash）和硬盘（Hard Disk）为主。但前者由于逼近工艺极限而难以尺寸缩小，后者因速度过慢不适应市场需求，所以新型非挥发性存储器的开发需求日益增加。阻变存储器由于其高集成密度（4F2）、快读写速度（纳秒级）、低功耗及易与CMOS工艺相兼容等优点成为下一代存储器的有力竞争者。同时，由于柔性消费电子产品市场的逐渐兴起，电池技术没有突破性进展的情况下，快速脉冲操作下的阻变存储器的低功耗性能被学界和工业界极度重视。 但阻变存储器在应用中存在着稳定性不佳及低功耗实现困难等问题，因此，本论文主要通过研究TaOx为基础的离子型阻变结构单元，对器件的稳定性及低功耗特性进行集中优化。 首先，本文将Ta/TaOx/Pt结构的中间层工艺进行了优化，得到了耐久性较好的阻变层工艺；其次，对Ta/TaOx/Pt的上电极材料进行了更换，得到了高低阻值一致性较好的Hf/TaOx/Pt器件，并建立了模型，简要解释了该器件一致性提升机理；而后，对电极工程中更换Al电极得到的低功耗器件的耐久性进行了集中优化，耐久性从不足百次提升至2700余次；最后，在Ta/TaOx/Pt器件的上界面插入纳米Al插层，在保持器件仍然具备较低功耗的同时，将耐久性提升至万余次。 通过一系列的实验及表征，文章得到并研究了低功耗、高可靠性的阻变存储器实现方法及机理。最终得到的器件电流控制在10uA级别，PSET及PRESET小于20μW，PREAD控制在5μW，Endurance性能达到2700。插层器件在较低功耗下实现了105次循环。

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