基于阻性存储器高密度应用的工艺解决方案研究

论文摘要

随着特性尺寸的不断缩小,Flash不挥发存储技术将面临尺寸极限挑战。基于硫系化合物材料的相变存储器和基于金属氧化的电阻存储器,由于其各自独特的存储特性优点,均被人为是是未来不挥发存储技术的候选者之一。其中,如何实现这两种两端式阻性存储器的高密度应用,一直是业界研究的热点。针对这种情况,本论文从工艺方案角度提出相变存储单元和电阻存储单元的高密度应用技术,并进行了实验论证。我们从存储单元的存储器和选通管两方面着手研究:在相变存储器方面,不依赖于光刻技术的基于介质击穿形成的3D相变存储器结构为实现相变存储器堆叠制造、并最终高密度应用提供可能,在电阻存储器方面,主要研究CuxO电阻存储器的特性及其机理,并提出相应的与铜互连后端工艺集成的解决方案;同时在选通管方面,主要是提出1TxDxR的复用选通技术,并分别利用相变材料和金属氧化物材料CuxO的p型半导体特性,构造异质结二极管,进一步作为选通管应用于存储单元中。上面所述的方案技术的最大共同点在于都可以在工艺上实现堆叠制造,从而使阻性存储器的高密度应用上,提供了工艺解决方案。本文共分5章。第l章为绪论,介绍不挥发存储技术背景及其选题动机。第2章为相变存储器及其电加工技术研究,具体介绍相变存储器机理及其现状、电介质的击穿理,并提出相变存储器的电加工技术方案,进行实验论证。第3章为基于CuxO的电阻存储器及其工艺集成方案,具体介绍了CuxO电阻存储器的制备方法、特性、及其机理模型,提出了在后端的铜互连结构中的集成实现方案。第4章为阻性存储器高密度存储应用的选通技术,提出了1TxDxR方案,并具体介绍了基于相变材料的异质结二极管和基于金属氧化物的异质结二极管的与1TxDxR方案的结合应用。第5章对全文进行总结论述,对阻性存储器的发展作展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 新型不挥发存储器原理介绍
• 1.2.1 MRAM
• 1.2.2 FeRAM
• 1.2.3 PCRAM
• 1.2.4 ReRAM
• 1.3 新型不挥发存储器的性能对比
• 1.4 选题的动机与工作概述
• 1.5 论文结构组织安排
• 第二章 相交存储器及其电加工技术研究
• 2Sb₂Te₅（GST）材料及其转换机理'>2.1 Ge₂Sb₂Te₅（GST）材料及其转换机理
• 2.1.1 晶态硫系化合物GST的晶体结构
• 2.1.2 晶态硫系化合物GST的能带结构
• 2.1.3 非晶态硫系化合物GST的结构性质
• 2.1.4 非晶态硫系化合物GST的能带结构
• 2.1.5 硫系化合物GST的相转换过程
• 2.2 相变存储单元的结构
• 2.2.1 传统型结构
• 2.2.2 边沿接触式2D结构
• 2.2.3 μ沟槽结构
• 2.2.4 环状接触结构
• 2.2.5 3D结构
• 2.3 相变存储器基于电加工技术的3D结构方案
• 2.4 基于电加工技术的相变存储器
• 2.4.1 电介质击穿
• 2.4.2 实验制作方案
• 2.4.3 存储器单元特性
• 2.5 小结
• 第三章 基于Cux0的电阻存储器及其工艺集成方案
• 3.1 Cux0电阻存储器机理研究
• 3.1.1 Cux0电阻存储器基本结构及其特性
• 3.1.2 Cux0电阻存储器器什单元结构及其制备方法
• 3.1.3 器件性能及其存储机理分析
• 3.2 Cux0电阻存储器高密度制造工艺方案
• 3.2.1 先进铜互迮技术介绍
• 3.2.2 Cux0电阻存储器制备与铜互连工艺集成方案
• 3.3 小结
• 第四章 阻性存储器高密度存储应用的选通管技术
• 4.1 阻性存储器的选通管技术现状
• 4.1.1 0D1R
• 4.1.2 1D1R
• 4.1.3 1T1R
• 4.1.4 2T2R
• 4.1.5 1TxR——选通管复用技术
• 4.2 1TxDxR——1TxR选通管复用技术的改进
• 4.3 相变存储材料异质结二极管
• 4.3.1 相变存储材料异质结二极管结构
• 4.3.2 相变存储材料异质结二极管工艺制备
• 4.3.3 异质结二极管特性
• 2Sb₂Te₅—Si异质结二极管特性'>4.3.4 电编程特性下的Si₂Sb₂Te₅—Si异质结二极管特性
• 4.4 基于相变材料异质结二极管的选通应用
• 4.4.1 1TxDxR
• 4.4.2 1D1R
• 4.5 基于金属氧化物异质结二极管的选通应用
• 4.5.1 1D1R
• 4.5.2 1TxDxR
• 4.6 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士研究生期间论文发表情况
• 致谢