電阻型存儲器器件與工藝研究.pdf

1、存儲器在半導(dǎo)體市場中占有重要的地位,隨著便攜式電子設(shè)備的不斷普及,不揮發(fā)存儲器在整個(gè)存儲器市場中的份額也越來越大。目前,Flash占據(jù)了不揮發(fā)存儲器市場90％的份額,但隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的不斷推進(jìn),Flash遇到了越來越多的瓶頸問題,比如浮柵厚度不能隨器件尺寸的減小而無限制減薄,有報(bào)道預(yù)測Flash技術(shù)的極限在32nm左右,此外,Flash的其他技術(shù)缺點(diǎn)也限制了它的應(yīng)用,如寫入速度慢,操作電壓高等。這就迫使人們尋找性能更為優(yōu)越的下一代不

2、揮發(fā)存儲器。最近電阻存儲器因其高密度、低成本等特點(diǎn)受到了高度關(guān)注,所使用的材料有相變材料[1]摻雜的SrZrO3[2]鐵電材料PbZrTiO3[3]鐵磁材料Pr1-xCaxMnO3[4]二元金屬氧化物材料[5]有機(jī)材料[6]等,受電或熱等能量的作用下,在高阻和低阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換。以相變材料為存儲介質(zhì)的阻性存儲器亦被稱作為相變存儲器(Phase Change Memroy,簡稱PCM),在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時(shí)間、單元面積、多值實(shí)現(xiàn)等

3、諸多方面都具有極大的優(yōu)越性,成為未來不揮發(fā)存儲技術(shù)市場主流產(chǎn)品最有力的競爭者之一。目前應(yīng)用最廣泛的是GeSbTe(簡稱GST)合金材料,在電的作用下使其在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換,對應(yīng)為器件的低阻態(tài)和高阻態(tài)。當(dāng)前,在相變存儲器研究領(lǐng)域中,寫操作電流(RESET電流)過大是阻礙其商業(yè)化的一個(gè)關(guān)鍵問題,降低RESET電流主要從兩方面考慮,對常用的GST材料進(jìn)行摻雜改性或者開發(fā)新型相變材料;另一方面,減小器件尺寸和相交薄膜厚度,減小相變區(qū)域,從而

4、降低發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)需要的能量,然而,傳統(tǒng)器件的尺寸依賴于光刻技術(shù)。本論文第一部分主要圍繞3D相變存儲器器件設(shè)計(jì)展開,利用邊墻定位技術(shù),構(gòu)建3D納米相變存儲器,其電極橫截面積取決于電極材料的厚度和臺階高度,使器件尺寸完全突破光刻限制,不需要先進(jìn)的光刻技術(shù),極大的降低了生產(chǎn)成本,在大尺寸工藝下,依然可以獲得納米級器件尺寸。在5μm實(shí)驗(yàn)室工藝條件下成功獲得了100nm以下納米相變存儲器陣列。
　　 以金屬氧化物為介質(zhì)的電阻型存儲器通常被稱

5、為阻性存儲器(Resistive Random Access Memory,簡稱RRAM)。其中,二元金屬氧化物(如Nb2O5,Al2O3,Ta2O5,TixO,NixO[5]CuxO等),因?yàn)槠淦骷Y(jié)構(gòu)簡單、成分精確可控而受到格外關(guān)注。CuxO(x＜2)作為兩元金屬氧化物中的一種,其優(yōu)勢更為明顯,因?yàn)镃u在現(xiàn)在的半導(dǎo)體后端互聯(lián)工藝中廣泛應(yīng)用,以CuxO為基的阻性存儲器件可與互聯(lián)工藝完美兼容而不需要引入新元素。本論文第二部分主要圍繞Cu