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电阻型存储器器件与工艺研究

2020-12-05阅读(1017)

电阻型存储器器件与工艺研究

论文摘要

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,Flash占据了不挥发存储器市场90%的份额,但随着半导体工艺节点的不断推进,Flash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Flash技术的极限在32nm左右,此外,Flash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、掺杂的SrZrO3、铁电材料PbZrTiO3、铁磁材料Pr1-xCaxMnO3、二元金属氧化物材料、有机材料等,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（Phase Change Memroy,简称PCM）,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GeSbTe（简称GST）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（RESET电流）过大是阻碍其商业化的一个关键问题,降低RESET电流主要从两方面考虑,对常用的GST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3D相变存储器器件设计展开,利用边墙定位技术,构建3D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5μm实验室工艺条件下成功获得了100nm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（ResistiveRandom Access Memory,简称RRAM）。其中,二元金属氧化物（如Nb2O5,Al2O3,Ta2O5,TixO,NixO,CuxO等）,因为其器件结构简单、成分精确可控而受到格外关注。CuxO（x＜2）作为两元金属氧化物中的一种,其优势更为明显,因为Cu在现在的半导体后端互联工艺中广泛应用,以CuxO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CuxO基阻性存储器展开,用反应离子（RIE）氧化进行CuxO制备,对器件的forming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CuxO电阻存储器奠定了基础。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 不挥发存储器
  • 1.1.1 基于浮栅（floating gate）的闪存（Flash）
  • 1.1.2 铁电存储器（FRAM）
  • 1.1.3 磁存储器（MRAM）
  • 1.1.4 电阻型存储器
  • 1.1.4.1 相变存储器（PCM）
  • 1.1.4.2 阻性存储器（RRAM）
  • 1.1.5 几种新型不挥发存储器的比较
  • 1.2 电阻型存储器的存储机理及发展现状
  • 1.2.1 相变存储器（PCM）的存储机理
  • 1.2.2 相变存储器（PCM）的发展现状
  • 1.2.3 阻性存储器（RRAM）存储机理
  • 1.2.4 阻性存储器的研究现状
  • 1.3 本文的研究意义及研究内容
  • 1.3.1 研究意义
  • 1.3.2 研究内容
  • 参考文献
  • 第二章 工艺条件与测试手段
  • 2.1 薄膜材料的制备
  • 2.2 薄膜材料的表征
  • 2.3 器件的制备
  • 2.3.1 薄膜沉积
  • 2.3.2 光刻
  • 2.3.3 干法刻蚀
  • 2.3.4 湿法刻蚀
  • 2.3.5 liftoff工艺
  • 2.4 器件性能测试
  • 2.5 本章小结
  • 参考文献
  • 2Sb2Te5相变薄膜与器件热模拟'>第三章 Ge2Sb2Te5相变薄膜与器件热模拟
  • 2Sb2Te5相变薄膜的制备'>3.1 Ge2Sb2Te5相变薄膜的制备
  • 2Sb2Te5相变薄膜特性分析'>3.2 Ge2Sb2Te5相变薄膜特性分析
  • 2Sb2Te5薄膜组分分析'>3.2.1 Ge2Sb2Te5薄膜组分分析
  • 2Sb2Te5薄膜结构分析'>3.2.2 Ge2Sb2Te5薄膜结构分析
  • 3.2.3 薄膜电阻率跟退火温度关系
  • 3.2.4 GST薄膜厚度对电阻率影响
  • 3.3 器件特性热模拟
  • 3.3.1 相变存储器热模型
  • 3.3.2 电极尺寸与RESET电流关系
  • 3.3.3 GST厚度与RESET电流的关系
  • 3.3.4 GST电阻率与RESET电流的关系
  • 3.3.5 电极热传导系数与RESET电流的关系
  • 3.3.6 电极电阻率与RESET电流的关系
  • 3.3.7 加热层与RESET电流的关系
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 3D纳米相变存储器研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 3D纳米相变存储器设计
  • 4.3 3D纳米相变存储器工艺流程
  • 4.4 流片器件参数与版图
  • 4.5 器件制备工艺
  • 4.5.1 清洗
  • 4.5.2 光刻
  • 4.5.3 薄膜沉积
  • 4.6 关键工艺研究
  • 4.6.1 台阶垂直度刻蚀
  • 4.6.2 TiN纳米线刻蚀
  • 4.6.3 TiN纳米线打断
  • 4.7 3D纳米相变存储器电学性能测试
  • 4.7.1 3D纳米相变存储器I-V特性
  • 4.7.2 3D纳米相变存储器的脉冲测试
  • 4.8 本章小结
  • 参考文献
  • xO基阻性存储器研究'>第五章 CuxO基阻性存储器研究
  • xO材料的生长'>5.1 CuxO材料的生长
  • xO基阻性存储器工艺流程'>5.2 CuxO基阻性存储器工艺流程
  • 5.3 流片器件参数与版图
  • 5.4 器件制备工艺
  • 5.4.1 等离子体氧化
  • 5.4.2 光刻/打底
  • 5.4.3 沉积上电极材料
  • 5.4.4 liftoff工艺
  • 5.5 电学性能测试
  • 5.5.1 I-V电学性能测试
  • xO基阻性存储器电阻与器件面积关系'>5.5.2 CuxO基阻性存储器电阻与器件面积关系
  • 5.5.3 Forming电压研究
  • 5.5.4 脉冲特性测试
  • 5.5.5 疲劳特性测试
  • 5.5.6 保持特性测试
  • xO基阻性存储器转换机理分析'>5.6 CuxO基阻性存储器转换机理分析
  • 5.6.1 HRS、LRS导电机理分析
  • 5.6.2 温度与RESET功耗关系
  • 5.6.3 转换机理分析
  • 5.7 本章小结
  • 参考文献
  • xO基阻性存储器集成方案研究'>第六章 CuxO基阻性存储器集成方案研究
  • 6.1 半导体工艺金属化制程介绍
  • xO阻性存储器制备与铜互连工艺集成方案'>6.2 CuxO阻性存储器制备与铜互连工艺集成方案
  • 6.2.1 基于单大马士革工艺的集成方案
  • 6.2.2 基于双大马士革工艺的集成方案
  • 6.2.2.1 集成方案一（增加两块光刻板）
  • 6.2.2.2 集成方案二（增加一块光刻板）
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 总结与展望
  • 博士研究生期间论文发表情况
  • 致谢

    • 相关论文文献

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