（微电子学与固体电子学专业论文）电阻型存储器器件与工艺研究.pdf

摘要 摘要 存储器在半导体市场中占有重要的地位，随着便携式电子设备的不断普及， 不挥发存储器在整个存储器市场中的份额也越来越大。目前，f l a s h 占据了不挥 发存储器市场9 0 的份额，但随着半导体工艺节点的不断推进，f l a s h 遇到了越 来越多的瓶颈问题，比如浮栅厚度不能随器件尺寸的减小而无限制减薄，有报道 预测f l a s h 技术的极限在3 2 n m 左右，此外，f l a s h 的其他技术缺点也限制了它 的应用，如写入速度慢，操作电压高等。这就迫使人们寻找性能更为优越的下一 代不挥发存储器。最近电阻存储器因其高密度、低成本等特点受到了高度关注， 所使用的材料有相变材料n 1 、掺杂的s r z r 0 3 嘲、铁电材料p b z r t i 0 3 1 、铁磁材料 p r 。，c a i n 0 3 h 1 、二元金属氧化物材料嘲、有机材料旧等，受电或热等能量的作用下， 在高阻和低阻态之间转换。以相变材料为存储介质的阻性存储器亦被称作为相变 存储器( p h a s ec h a n g em e m r o y ，简称p c m ) ，在读写速度、读写次数、数据保持 时间、单元面积、多值实现等诸多方面都具有极大的优越性，成为未来不挥发存 储技术市场主流产品最有力的竞争者之一。目前应用最广泛的是g e s b t e ( 简称 g s t ) 合金材料，在电的作用下使其在晶态和非晶态之间转换，对应为器件的低 阻态和高阻态。当前，在相变存储器研究领域中，写操作电流( r e s e t 电流) 过 大是阻碍其商业化的一个关键问题，降低r e s e t 电流主要从两方面考虑，对常用 的g s t 材料进行掺杂改性或者开发新型相变材料；另一方面，减小器件尺寸和相 变薄膜厚度，减小相变区域，从而降低发生转变时需要的能量，然而，传统器件 的尺寸依赖于光刻技术。本论文第一部分主要围绕3 d 相变存储器器件设计展开， 利用边墙定位技术，构建3 d 纳米相变存储器，其电极横截面积取决于电极材料 的厚度和台阶高度，使器件尺寸完全突破光刻限制，不需要先进的光刻技术，极 大的降低了生产成本，在大尺寸工艺下，依然可以获得纳米级器件尺寸。在5 | l m 实验室工艺条件下成功获得了l o o n m 以下纳米相变存储器阵列。 以金属氧化物为介质的电阻型存储器通常被称为阻性存储器( r e s i s t i v e r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，简称r r a m ) 。其中，二元金属氧化物( 如n b 2 0 5 ， a 1 ：0 3 ，t a 。0 5 ，t i x o ，n i x o 嫡1 ，c u 。0 等) ，因为其器件结构简单、成分精确可控而受到 格外关注。c u ，0 ( x 2 ) 作为两元金属氧化物中的一种，其优势更为明显，因为 c u 在现在的半导体后端互联工艺中广泛应用，以c u 。0 为基的阻性存储器件可与 互联工艺完美兼容而不需要引入新元素。本论文第二部分主要围绕c u 。o 基阻性 存储器展开，用反应离子( r i e ) 氧化进行c u 。0 制备，对器件的f o r m i n g 电压、 疲劳特性、保持特性进行了研究，提出了上电极界面处的局部导电通道的形成与 摘要 关断的电阻转换模型，基于双大马士革工艺，提出相应的与铜互连后端工艺集成 的解决方案，为生产低成本、高密度、高可靠性的c u 。0 电阻存储器奠定了基础。 关键词：存储器，电阻型存储器、相变存储器、金属氧化物、阻性存储器、疲劳特性、 保持特性、f o r m i n g 电压 2 摘要 a b s t r a c t m e m o r i e sp l a yi m p o r t a n tr o l e si ns e m i c o n d u c t o rm a r k e t w i t ht h e p o p u l a t i o no f m o b i l e e l e c t r i c a ld e v i c e ，t h en o n v o l a t i l em e m o r y i s g e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h et o t a lm e m o r ym a r k e t c u r r e n t l y ， f l a s hi sd o m i n a n ti nm e m o r ya r e a ，w i t h9 0 m a r k e ts h a r e a st h es c a l i n g o fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，f l a s hm e m o r ye n c o u n t e r sm o r ea n dm o r e b o t t l e n e c k s ，e g ，t h et h i c k n e s so ff l o a ti n gg a t ec a nn o tb ed e c r e a s e d i n f i n i t e l y a c c o r d i n gt os o m er e p o r t s ，t h el i m i t a t i o no ff l a s ht e c h n o l o g y w o u l d b ea t3 2 姗n o d eo rs o m o r e o v e r ，o t h e rs h o r t c o m i n gs u c ha sl o w p r o g r a m m i n gs p e e d ，h i g ho p e r a t i n gv o l t a g ee t c ，a l s ol i m i tt h ea p p l i c a t i o n o ff l a s h ，w h i c hf o r c e sp e o p l et os e a r c hm o r ee x c e l l e n tt e c h n o l o g yf o rn e x t g e n e r a t i o nn o n - v o l a t il em e m o r y r e c e n t l y ，r e s i s t a n c et y p em e m o r i e sa r e a t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o nf o rt h e i rh i g h d e n s i t ya n dl o wc o s t m a n y m a t e r i a l sw i t h s w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c sw e r e d i s c o v e r e d ，e g c h a l c o g e n i d e s ，d o p e ds r z r 0 3 ，p b z r t i o s ，p r i 。c a , m n 0 3 ，b i n a r ym e t a lo x i d ea n d o r g a n i cm a t e r i a l s t h er e s i s t a n c et y p em e m o r i e sb a s e do nc h a l c o g e n i d e s a r ea l s oc a l l e dp h a s ec h a n g em e m o r y ( p c m ) ，w h i c hh a sg r e a ta d v a n t a g e so n s p e e d ，e n d u r a n c e ，r e t e n t i o n ，c e l ls i z ea n dm u l t i l e v e ls t o r a g e i ti so n e o ft h em o s tp r o m i s i n gc a n d i d a t e sf o rn e x tg e n e r a t i o nn o n v o l a t i l em e m o r y t h em o s tc o m m o n l yu s e dm a t e r i a li np c mi sg e s b t e ，w h i c hc a nt r a n s i tb e t w e e n a m o r p h o u ss t a t ea n dc r y s t a lli n es t a t e ，c o r r e s p o n d i n gt oh i g ha n dl o w r e s i s t a n c es t a t e c u r r e n t l y ，t h em a i np r o b l e mp r e v e n t i n gp c m f r o m a p p li c a t i o ni st h el a r g er e s e tc u r r e n t t h e r ea r em a i n l yt w ow a y st or e d u c e t h er e s e tc u r r e n t o n ea p p r o a c hi sd o p i n gi nc o m m o n l yu s e dg s tm a t e r i a l o rs e a r c h i n gn e wp h a s ec h a n g em a t e r i a l s t h eo t h e ro n ei sr e d u c i n gc e l l s i z e t h ef i r s tp a r to f t h i st h e s i si sm a i n l yf o c u s e do nd e s i g na n d f a b r i c a t i o no f 3 dn a n od e v i c eo fp h a s ec h a n g em e m o r y b yu s i n gs p a c e r p a t t e r nt e c h n o l o g y ，t h ec r o s s s e c t i o na r e ao fe l e c t r o d ei sd e f i n e db yt h e h e i g h to fs t e pa n df il mt h i c k n e s s ，w h i c hi st o t a ll yi n d e p e n d e n to f l i t h o g r a p h i ct e c h n o l o g y b yu s i n gt h i sm e t h o d ，s u b 一1 0 0n ms i z e dm e m o r y a r r a ya r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e dw i t hn on e e do fa d v a n c e dl i t h o g r a p h i c e q u i p m e n t t h em a n u f a c t u r i n gc o s ti sg r e a t l yr e d u c e d m e t a lo x i d e sb a s e dr e s i s t a n c et y p em e m o r i e sa r ea l s oc a l l e dr e s i s t i v e 3 摘要 s w i t c h i n gm e m o r y ( r e s i s t i v er a n d o ma c c e s sm e m o r y ，r r a m ) b i n a r ym e t a l o x i d e ( s u c ha sn b 2 0 5 ，a 1 2 0 3 ，t a 2 0 s ，t i 。0 ，n i 。0 射，c u ，0 ，e t c ) a r ea t t r a c t e dg r e a t a t t e n t i o n ，b e c a u s eo ft h e i rs i m p l es t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o n a m o n gt h e m ， c u ，0h a sm o r ea d v a n t a g e s ，b e c a u s ec ui sw i d e l yu s e di nm o d e r ns e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r i n ga n dt h ef a b r i c a t i o no fac u 。0m e m o r yc e l li sp e r f e c t l y c o m p a ti b l ew i t hs t a n d a r dc ui n t e r c o n n e c tp r o c e s s e s t h es e c o n dp a r to f t h i st h e s i si sm a i n l yf o c u s e do nc u 。0r e s i s t i v es w i t c h i n gm e m o r y t a k e r i em e t h o df o rc u 。0 p r e p a r a t i o n a n d i n v e s t i g a t e t h ec r i t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c e s ， s u c ha sf o r m i n gv o l t a g e ，e n d u r a n c ea n d r e t e n t i o n ，e t c a n dt h e nr a i s eas w i t c h i n gm o d e lo fl o c a lc o n d u c t i v e f o r m a t i o na n dr u p t u r en e a rt h ei n t e r f a c eb e t w e e nc u 。0a n dt o pe l e c t r o d e b a s e do ne x p e r i m e n td a t a f i n a ll y ，t h ei n t e g r a t i o ns o l u t i o nb a s e do n d a m a s c e n ec ui n t e r c o n n e c tp r o c e s si sp u tf o r w a r d s ，w h i c hf u r t h e rl a y s f o u n d a t i o nf o rp r o d u c i n gh i g hd e n s i t y ，l o wc o s ta n dh i g hr e l i a b l ec u 。0 b a s e dr r a m k e y w o r d s ：m e m o r y ，r e s i s t i v et y p em e m o r y ，p h a s ec h a n g em e m o r y ，m e t a lo x i d e ， r e s i s t i v es w i t c h i n gm e m o r y ，e n d u r a n c e ，r e t e n t i o n ，f o r m i n gv o l t a g e 4 第一章绪论 第一章绪论 存储器是一种记忆部件，用来存储数字信息，其最基本的结构是可存储二进 制o 和1 信息的单元，通常可分为磁盘存储器，光盘存储和半导体存储器。 根据种类，半导体存储器又可分为挥发性和非挥发性两大类，所谓挥发性，就是 存储的信息需要用电来维持，断电后，写入的数据丢失，比如静态存储器( s r a m ) 、 动态存储器( d r a m ) ；相反，非挥发性存储器可以在掉电后继续保持信息，比如 闪存( f l a s h ) n 一。在半导体产业中，存储器占有举足轻重的地位，在过去的几 十年里，半导体存储器在技术和成本控制上都得nt 长足的发展，市场份额越来 越大，2 0 0 7 年其年增长率达到3 7 6 ，2 0 0 9 年市场份额将达到1 8 5 5 7 亿美元。 随着手机，g p s ，数码相机，笔记本电脑等一些便携式数码产品的普及，用户携 带大容量数据的大大机会增加，其他存储介质如磁盘，光盘等无法同时满足非挥 发性，短小轻薄的要求，而半导体非挥发性存储器很好的兼顾了这两项需求，得 到了飞速的发展，据2 0 0 4 年的报道，半导体非挥发性存储器达到了1 7 3 亿美元 的市场份额，预计到2 0 1 0 年，会达到7 0 0 亿美元。当前占整个非挥发性存储器 主流的是f l a s h 技术，它占了整个非挥发性存储器市场9 0 ，但随着器件尺寸 的不断减小，f l a s h 有着不能逾越的技术瓶颈，为维持一定的数据保持能力，其 浮栅的厚度不能随器件尺寸的减小而不断减薄。据半导体业界预计，f l a s h 将很 难突破4 5 n m 节点口1 。此外，f l a s h 的一些其他缺点也限制了它的应用场合，比如 写入速度低、操作电压高、串扰等问题，虽然引入了块擦除技术，但其擦写速度 依然在u s 量级，限制了其在高速芯片中的应用。鉴于这种情况，世界上所有半 导体行业巨头，如i b m ，i n t e l ，s a m s u n g ，s o n y ，a m d ，s h a r p 等，都竞相研发新 一代替代f l a s h 的新型不挥发性存储器，以在未来的存储器市场中立于不败之 地。 1 1 不挥发存储器 具有d r a m 的密度，s r a m 的速度，同时具备非挥发性，低成本，高可靠性的 存储技术是存储器设计和制造者们永恒追求的目标，为制造出新一代融合型 存储器以作为f l a s h 替代者，人们先后推出了铁电存储器( f r a m ) ，磁存储器 ( m r a m ) ，电阻型存储器 包括相变存储器( p r a m ) 和阻性存储器( r r a m ) ，下面就 这几种非挥发性存储器作一简单介绍。 5 第一章绪论 1 1 1 基于浮栅( f l o a t i n gg a t e ) 的闪存( f l a s h ) 闪存是通过对传统m o s 进行改造后形成，由衬底、隧穿氧化层、多晶硅浮栅 ( f g ) 、栅间绝缘层和多晶硅控制栅( c g ) 组成，其结构如图1 所示h 1 。闪存通 过使用强电场，将电子注入或拉出浮栅( f g ) 来实现编写和擦除过程，如图2 所 示。当在控制栅( c g ) 上施加一个较高的正压，导电沟道中的部分电子会以隧穿 电流的方式注入到浮栅层中，同时被浮栅层俘获；当在控制栅施加一反向高电压， 俘获的电子将以隧穿电流的形式被拉出浮栅层。由于浮栅中电子数量的变化，存 储单元的开启电压会随之变化。当向浮栅中注入电子时，开启电压较高，定义为 1 ；当浮栅中电子被拉出时，开启电压较低，定义为0 ，读取数据时，施加 某一幅值的电压于控制栅，通过读取源漏端电流来区分不同的存储状态。 o x i d e 、- 嗣圆圈 翻圉豳臌 t u n n e l0 x i d e ，囊is e t m o r e 崆d 震士 i 一_ 一 幽幽幽幽幽遴翻函幽瞄幽 i d s v c g 图1 f l a s h 结构示意图图2 f l a s h 编程示意图 根据单元结构和电子注入方式的不同，闪存可分为n a n d 和n o r 两大类。n a n d 类型闪存写入和擦除操作都使用f n 隧穿效应注入完成，而n o r 类型闪存通过沟 道热电子效应进行电子注入和f n 遂穿电流方式进行擦除。n a n d 由于其写入电流 低，可以同时写入多个字节，写入和擦除迅速，但没有随机存取性能，这种类型 的存储器应用中在逐步扩大，比如u 盘，s d 卡，小容量硬盘等。n o r 型闪存由于 使用高电流，写操作必须在单个字节里完成，传统的n o r 闪存是作为p cb i o s 村出去，基于其随机存储的性能，它替代e p r o m 作为代码存储器，近来，它在便 携式电话领域的应用迅速扩大。 受自身存储机理的限制，闪存的写入电压较高、速度慢( u s 量级) ，因而功 耗较大，需要特殊的电压提升结构从而加大了电路和设计的复杂度。此外，闪存 的可擦写次数也比较有限( 1 0 6 次) 。这些局限性使得闪存很难满足高速，低功 耗的存储要求畸1 。 第一章绪论 1 1 2 铁电存储器( f i 洲) 铁电存储器是一种根据铁电材料的自发极化和在外界电场的作用下改变方 向的特性设计出来的新型不挥发存储技术，具有高速，高密度，低功耗，抗辐射 等优点1 。 f r a m 单元是基于平板电容结构制作而成，在两个电极之间沉积一层铁电薄 膜材料。当前应用于存储器的铁电材料主要有钙钛矿结构系列，包括p z t ，s b t ， b l t 等。图3 显示了基于p z t 材料的f r a m 工作原理。p z t 材料在居里温度一下， 由于自发畸变，z r 或t i 原子会发生偏移，产生电偶极子。当对铁电材料施加一 外电场，极化方向会随着电场的方向变化，且撤除电场后，铁电材料还能具有一 定的剩余极化。施加不同方向的电场会产生不同方向的剩余极化，这两种状态可 用于存储0 或者l 状态。读取数据时，不同的极化方向会产生不同的电流， 从而达到状态的区分口1 。 根据工作模式的不同，破坏性读出和非破坏性读出两大类。破坏性读出模式 对应于平板电容结构的f i 洲，包括1 t i c ，2 t 2 c 结构等，一般有如图4 的错位 结构和堆叠结构。这种破坏性读出后需重新进行数据写入，所以此类f r a m 在信 息的读取过程中伴随着大量的擦除重写过程，对铁电材料的疲劳特性有比较高 的要求，目前市面上的铁电存储器大都是采用这种工作模式。非破坏性读出模式 是采用m o s 管中栅极中加入一层铁电薄膜的m f i s 或m f s 结构，通过栅极铁电薄 膜的极化状态来调制源漏电流，使之发生变化。根据源漏电流的相对大小来区分 存储的信息状态，无需对栅极铁电材料的极化状态进行翻转。此种模式的铁电存 储器是一种比较理想的结构，目前尚处于实验室阶段。 铁电存储器己成为存储器家族中最有发展潜力的成员之一，然而，f r a m 的 存储密度，可靠性，铁电材料与传统c m o s 工艺的兼容性问题等仍然亟待解决。 p 盯一 f | 。 一少 l 一j - - - - - - - - - - 一 e l e c l r i cf i e l d 图3 基于p z t 材料的f r a m 工作原理 第一章绪论 一卷一 ( b ) 图4 a f r a m 的错位结构，b 堆叠结构，c m f m i s 结构 1 1 3 磁存储器( 蛐洲) m r a m 全称为“m a g n e t o r e s i s t i v er a n d o ma c c e s sm e m o r y ”( 磁阻随机存取器) ， 通过控制铁磁体中电子旋转方向来实现存储二进制数据的功能呻1 1 1 。从理论上讲， 铁磁体是永久性的，因此其可擦写次数是无限的。m r a m 单元结构包括一个晶体 管和一个磁阻元件，在m r a m 发展初期所使用的磁阻元件是一种被称为巨磁阻 ( g m r ) 的结构，此结构由上下两层磁性材料，中间夹着一层非磁性材料的金属 层组成。由于g m r 元件需较大的电流，因此无法达到高密度存储的要求2 i ”1 。与 g m r 对应的另外一种结构是m t j ( m a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n 磁性隧道结) 结构，其由固定磁层( f i x e dl a y e r ) ，绝缘隧道隔离层( t u n n e lb a r r i e r ) 和自由 磁层( f r e el a y e r ) 组成，如图5 所示。m t j 与g m r 元件最大的不同是隔开两层磁 性材料的是绝缘层而非金属层。m r a m 的编程过程如图6 所示，固定磁层的磁矩 方向保持不变，自由磁层的磁矩方向可由数字线( d i g i t a ll i n e ) 施加电流产生 磁场来改变方向。当自由磁层的磁矩方向和固定磁层保持一致时，通过隧穿层的 电子受到的散射较小，元件电阻较小，用字线( b i tl i n e ) 读取时，会产生较大 的电流；当自由磁层的磁矩方向和固定磁层相反时，通过隧穿层的电子会受到较 大的散射，会呈现较高的电阻，读取电流就会比较小。m r a m 就是通过改变自由 磁层的磁矩方向来调制m t j 元件的电阻，从而达到存储数据的目的，磁阻存储器 也因此得名。 当前，磁阻存储器的关键问题主要集中在写擦数据时，其位干扰问题比较严 重，尤其当集成度较高时，干扰问题尤为突出；在批量化生产时，由于m t j 元件 中的隧穿层极薄，制备隧穿层时厚度稍有波动，就会造成单元间较大的阻值差异； 此外，磁性材料与传统c m o s 工艺的兼容性还有待进一步优化。 固 t晤睡 第一章绪论 1 - m t j 1 t r a n s i s t o rm e m o r yc e ll p r o g r a mm o d e 8 i tl i n e f e r r o m a g m e t a l1 i n s u t a t o t f e r r o m a g m e t a l2 m a g n e t i z a t i o n ： r e s i s t a r l c e ： b i n a f v n f o r m a t i o n 1 1 4 电阻型存储器 百 a n u - p a r a l l e r a = l a r g e o 1 1 到6 m r a m 编程示意图 近年来，电阻型存储器因为其结构简单( 通常为两端的m i m 电容型结构) ，集 成度高，成本低而受到了广泛的关注。作为存储介质的材料有硫系化合物相变材 料n4 1 、掺杂的s r t i o 。“引、铁电材料p b z r t i o 。n 引、有机物材料n 引、二元金属氧化物 材料n8 1 钔等。采用硫系化合物相变材料的电阻型存储器因为其转换机制明确，通 常做相变存储器( p h a s ec h a n g em e m o r y ，简称p c m ) ；以金属氧化物为介质的电 阻型存储器通常被称为阻性存储器( r e s i s t i v er a n d o ma c c e s sm e m o r y ，简称 r r a m ) 。下面就p c m 和r r a m 这两类电阻型存储器作一简单介绍。 1 1 4 1 相变存储器( p c m ) 相变存储器是一种基于相变理论的存储器：材料由非晶态转变为多晶态，再 由多晶态变回非晶态的过程中，其非晶态和多晶态会呈现出不同的电阻特性，可 以利用非晶态和多晶态来存储0 和1 的数据信息啪2 。相变存储器通常由 一个晶体管和一个相变电阻共同组成，如图7 所示。写入时，通过施加不同高度 和宽度的电脉冲，可以使相变材料在非晶态和多晶态之间相互转换，如图8 所示， 9 一一亏一号 焉一 第一章绪论 对应为不同阻值的电阻状态，以此代表不同的逻辑信息。读取时，在器件两端施 加一小于相变电压的信号，根据读出的不同的电流大小来区分0 和1 。 相变存储器有如下显著优点乜利：1 可擦写次数多，可达1 0 1 2 以上，远高于当 前的主流存储器f l a s h ；2 结构简单，存储密度高，且可以随半导体技术代的 推进不断缩小，据报导，6 n m 的相变材料依然有很好的相变特性；3 多态存储 能力，相变存储器的高阻和低阻值相差1 0 3 以上的窗口，使得其具有多态存储的 能力，目前已有2 b i t c e l l 的测试芯片。4 存储性能可靠，相变存储器具有抗 辐射、耐高低温、抗电子干扰等优点，使其应用领域极为广泛。正因为有这些显 著的优点，使得相变存储器极有可能替代目前的f l a s h ，d r a m ，成为未来不挥发 存储器主流。然而，写操作电流大( 接近毫安量级) 已成为阻碍其商用化的关键 问题之一口3 2 4 | ，大电流需要大尺寸的晶体管驱动，造成外围电路规模过大，存储 芯片面积据高不下。如何减小写操作电流已成为相变存储器亟待解决的问题。 图7 p c m 结构示意图 1 1 4 2 阻性存储器( r r a m ) 攀缨 美蓊 滔瓣宝 图8 a 非晶态相变材料( 高阻态) ；b 晶 态相变材料( 低阻态) 阻性存储器的结构与相变存储器类似，不同之处在于阻性存储器是利用金属 氧化物作为存储介质而非相变材料，其结构如图9 所示。在电信号的作用下使之 在高阻态和低阻态之间来回转换，从而达到存储信息的目的，如图1 0 所示。近 来，r r a m 以其低压、高速、低功耗、低成本、高密度、结构简单、多值存储、 与传统c m o s 工艺及三维堆叠海量存储等显著特点而受到广泛关注。 就存储机理而言，目前业内工作者的说法不一，基本上可以分为两种，一类 是倾向于界面效应( i n t e r f a c ee f f e c t ) ，例女h t s u i 在m e t a l p r 0 7 c 3 m n o 。材料界 面上的研究乜引，s a w a 在s r r u o 。s r t i 。9 9 n b 。0 。界面的研究啪1 ；一类强调体效应 ( b u l ke f f e c t ) ，例如b e c k 在s r t i0 3 材料上实现的通道观测乜7 1 ，c h e n 汹1 认为的s c l c 效应，h w a n g 提出并利用c a f m 验证的阳极局域化通道模型啪1 等，同时体效应中可 分为导电通道机制( f i l a m e n t ) 以及电子关联效应( e l e c t r o n i cc o r r e l a t i o n 1 0 第一章绪论 e f f e c t ) 。在通道机制中，有的研究认为是氧空位构成通道；有的研究认为是金 属离子构成。而i g n a t i e v 则认为是由于电子关联效应引起的电阻开关现象乜。 总之，目前还没有一种通用模型可以解释所有的r r a m 现象。 目前r r a m 的研究主要集中在存储机理研究、存储材料的筛选、存储材料性能 的优化及稳定性的提高及与传统c m o s 工艺的集成方法。 图9 r r a m 结构示意图 1 1 5 几种新型不挥发存储器的比较 b 醅、，b 均e 、， 图1 0 r r a m 操作方式示意图 几种新型不挥发存储器f r a m 、m r a m 、p c m 、r r a m 与传统f l a s h 相比，都有 自身比较突出的优点，应用前景十分广阔，表1 比较了几种不挥发存储器的性能 n 3 2 o 表1 几种不挥发存储器的性能比较 p a r a n c t r f l a s hf l m r a mp c mr r a m l a r g e s t 1 6 g b2 5 6 r i b4 m b5 1 2 m a r r a yb u i l t c d ls i z e f a c t o r ( f 2 ) 8 一1 01 81 0 - 2 05 一名 4 - - 8 e l s e1 0 61 0 1 61 0 1 41 0 u1 0 7 r 翻d w r i t e 2 ，1 2 1 5 ，1 5 3 3 ，3 30 4 ，l0 爿2 5 硼，嶂 r e a d w r i t e8 0 n d l 0 0 5 0 n s 5 0 璐 1 0 n d l 0i t s5 0 m 5 0 璐 5 0 r i d 5 0 m 鼍x , e di ls s c a l a b i l i t y f a i rp o o rp o o fg o o dg o o d s c a l a b i l i t y r l 瑚dc 瑚删 l i t h o l i t h o l h n i u o x i d e c o l 施c i t o r d e n s i 缈 m u l t i 1 e v e l y e s y e sy e s y e sy e s o u t r a g e 3 ds t o r a g en on on oy e sy e s e x t r am a s k 6 - - 8243 一一41 - - 4 n e e d e d h i y e sy e s y y e s n o p r o d u c t i o n a m d ，i n t e l ， f u j i t s u ， i b m ，b 崛i n t e l 。 $ m m u n g s o m em a j o r 豁t ，啦姊， r a m t r o n , i n f i n e o n , o v o n y x , s t m 。s p a m i o n , p l a y e 嵋 t o s h i b a ,m o t o r o l a ,h i t a c h i m i c r o n i x , 洲 s a m u n g , t i n e c 。t o d f i b a s 锄嘲l t 磬f u j i t s u ，s h a r p ， ， 0 o d j 一 )l-m。 第一章绪论 f r a m 从1 9 2 1 年开始就提出来，其技术研发的兴起已2 0 多年的时间，是 几种新型不挥发存储器里面发展最成熟的。与f l a s h 相比，f r a m 在读写速度， 低功耗方面优势甚为明显，经过几十年的发展，其在器件尺寸、稳定性的方面有 长足的进步，但其成本一直居高不下因而限制了其应用，目前f r a m 在r f i d ，车 载芯片上已有产品应用。m r a m 最大的特点是速度快，其速度可与s r a m 匹敌，疲 劳特性好，从理论上讲，由于铁磁材料是永久性的，m r a m 的可擦写次数是无限 的，但其磁性隧道结的制备难度大，铁磁材料与c m o s 工艺的兼容性不好，另外 其尺寸难于缩小，成本高也是需要解决的难题。m r a m 由于其高速度、非挥发性、 高可擦写次数使其最有可能替代s r a m 。电阻型存储器被认为是最有可能替代 f l a s h 而成为下一代不挥发存储器技术主流之一，p r a m 同时具备高速度、高密度、 不挥发性、高可擦写次数等显著特性，其擦写速度与f l a s h 相比快3 个数量级以 上、可擦写次数达到1 0 1 2 、读出方式为非破坏性读出，次数无限、在制造方面， p r a m 的制造只需要在传统c m o s 工艺中额外增加2 “4 块掩膜板，生产成本低、尺 寸缩小能力强，据报导，p r a m 在2 2 r i m 尺度下依然具有优异的存储性能。r r a m 是近几年刚兴起的电阻型存储技术，相比于p r a m ，r r a m 在工艺兼容型和制造成 本方面更具优势。r r a m 用二元金属氧化物为存储介质，与标准的金属互联工艺 可完美兼容，而不需要引入新的污染性元素；在制造方面，只需额外增加l 2 块掩膜板，在所有的新型不挥发存储技术中，r r a m 的制造成本是最低的。 电阻型存储器在有着上述显著的优点的同时，也存在着投入商业化应用前， 尚待解决的问题，比如p r a m 的r e s e t 电流过大问题，r r a m 存储材料的筛选、存 储性能及稳定性的优化等。下面将介绍电阻型存储器的存储机理、及研究现状。 1 2 电阻型存储器的存储机理及发展现状 电阻型存储器主要分为相变存储器( p c m ) 和基于金属氧化物的阻性存储器 ( r r a m ) ，下面分别介绍p r a m 和r r a m 的存储机理。 1 2 1 相变存储器( p c m ) 的存储机理 相变存储器是一种基于硫系化合物半导体的两端器件，如图1 1 所示，所谓 硫系化合物半导体是指族元素( 如硫s ，硒s e ，锑t e 等) 参与合成的半导体 材料。 1 2 第一章绪论 可编 j 簟，一 图1 1 p c m 存储结构示意图 在2 0 世纪6 0 ，7 0 年代，s r o v s h i n s k y 发现了硫族化合物材料在多晶态 和非晶态的可逆转变中会伴随着巨大的电学和光学性质的变化瞳0 1 。利用此特性， 可用来存储二进制数字信息，目前市面上的很多相变光盘用的就是硫族化合物材 料，在激光的作用下使其在晶态和非晶态之间发生相变，利用其相变前后光学系 数的不同来存储信息。光致相变，其实质是由激光产生热量，把非晶态的相变材 料加热到一定程度，达到其晶化温度时，即可发生从非晶态到多晶态的转变，反 之，利用一短激光脉冲，把相变材料即热致熔点，然后骤冷，熔融状态的相变材 料来不及原子间的排列组合而维持在非晶态。除了光致相变外，在电信号的作用 下也可发生相变，利用相变前后电阻率的巨大变化来存储信息。此现象发现于 1 0 世纪7 0 年代，但由于工艺条件的限制，在起初的3 0 多年里一直没有得到发 展。近年来，由于半导体材料制各技术的进步及对新型不挥发存储技术的需求， 相变存储器得到了广泛的研究和飞速的发展。 研究表明，很多材料具有相变特性，比如二元的s b t e 系列1 、i n s e 系列嘲一、 g e t e 系列嘲；三元的g e s b t e 系列眦1 、s b s e t e 系列川，g e t e a s 系列吣3 、a s s b t e 系列m 3 ；四元的a g i n s b t e 系列m 1 、( g e s n ) s b t e 系列啪1 、g e ( s b a s ) s i 系列 啪1 ，6 e s b t e - n ( 0 ) 系列脚一妇都有相变特性，如图1 2 所示。目前工业界使用最多的 相变材料是g e - s b - t e 系列h 0 1 ，如图1 3 所示。相变材料的速度与保持特性是一 对矛盾，转变速度快的材料一般稳定性不好，只要施加一个微弱的信号即可改变 其状态，如果需要有好的保持特性，就必须以牺牲速度为代价。经过长期的研究， g e - s b - t e 系列相变材料可以同时兼顾速度稳定性，主要原因是由于g e s b t e 存在 面心立方的f c cn a c l 亚稳相结构，这种对称性很高的相，减少了从非晶态向晶 态转变时的原子移动距离2 1 。其成员之一的g e 。s b ：t e 。材料在相变光盘领域中使 用极为广泛，同时此材料亦有优异的电学性能，在非晶态和晶态的电阻率比可达 到1 0 6 量级。基于g e 。s b 。t e 。的相变存储器件在小尺寸下的高阻态和低阻态阻值比 第一章绪论 ( 即所谓的o n o f fr a t i o ) 也可达到1 0 0 倍以上，不仅使器件具有很强的噪声 容限，同时有可能实现多值存储。硫系化合物的相变机理比较明确，主要是热激 所致，在电流产生的焦耳热作用下进行可逆相变。 b i n a r y g a s b i n s b i n s e s b t e g e t e t e r n a r yq u a t e r n a r y g e s b t e i n s b t e g a s e t e s n s b t e g e s b l n s b s e t e a g l n s b t e ( g e s n ) s b t e g e ( s b s e ) t e g e ( s b s ) t e 图1 2 二元、三元、四元相变材料列表 s b g e l - e g e 图1 3 g e - s b t e 系列相变材料 图1 4 说明了相变存储器编程过程。在实际应用中，我们把从高阻到低阻的转 变过程( 非晶态到晶态的转变) 称为s e t 过程，从低阻到高阻( 晶态到非晶态转 变) 称为r e s e t 过程。在相变存储器上施加一宽而低的脉冲，电流产生的焦耳热 把相变材料局部加热致晶化温度使相变材料晶化，从而产生导电通道，即所谓的 f i l a m e n t ，完成从高阻态向低阻态的转变。当在相变存储器上施加一高而窄的脉 冲，电流产生的焦耳热把导电通道中的相变材料短时间内加热至熔点以上，然后 撤除脉冲使之猝冷，熔融的相变材料由于温度的快速下降而来不及原子间的排 序，从而实现从晶态到非晶态的转变( 低阻到高阻的转变) 。最新研究表明，相 变存储器的r e s e t 过程与脉冲信号的宽度影响不大，关键在于脉冲的下降沿嘞】， 当脉冲下降较慢时是晶化过程，当脉冲下降快时即可实现非晶化过程。此发现对 传统的低宽脉冲s e t ，高窄脉冲r e s e t 的概念有很大发展。 1 4 第一章绪论 c r y s t a l a m r # t o m m e 图1 4 相变存储器编程过程 相变存储器的电学特性一般通过电流一电压( 卜力特性曲线、电阻一电流 ( 詹特性曲线、保持特性、疲劳特性等