阻變存儲器電學(xué)特性的研究

劉若愚 許曉欣 劉洪濤

（貴州大學(xué) 微納電子技術(shù)重點實驗室，貴州 貴陽550025）

0 引言

隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們對于存儲器的需求越來越高。傳統(tǒng)的FLASH非揮發(fā)性存儲器由于隧穿氧化層減薄，導(dǎo)致電荷保持性能下降。因此，新型非揮發(fā)性存儲技術(shù)的研究越來越受到關(guān)注，如鐵電存儲器（FeRAM）、磁存儲器（MRAM）、相變存儲器（PRAM）、阻變存儲器（RRAM）等。阻變存儲器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、集成密度高、功耗低、疲勞特性好、數(shù)據(jù)保持時間長、與CMOS工藝兼容等優(yōu)點，被業(yè)界認為是下一代非揮發(fā)性存儲器最有競爭力的候選者之一[1]。然而，阻變存儲器在走向應(yīng)用之前還要克服很多困難，其中關(guān)鍵一點便是提高其電學(xué)性能，例如操作電壓、均一性、疲勞特性、數(shù)據(jù)保持特性等。

1 1T1R器件結(jié)構(gòu)及工藝制備

對于阻變存儲器（RRAM）集成技術(shù)而言，可以采用3種基本結(jié)構(gòu)，即 0T1R（one resistor）、1D1R（one diode one resistor）和 1T1R（one transistor one resistor）。其中1T1R結(jié)構(gòu)采用晶體管作選通開關(guān)，具有制造工藝成熟、泄露電流小等優(yōu)點，已經(jīng)開始受到越來越多地關(guān)注和研究[2]。

本文以1T1R單元為基礎(chǔ)，重點討論RRAM器件的電學(xué)特性。

阻變存儲器的材料體系種類繁多，可以包括有機材料、固態(tài)電解質(zhì)材料、復(fù)雜氧化物以及二元金屬氧化物等。與其他材料相比，二元金屬氧化物具有成分簡單、組份易于控制、制備簡單、制造過程與傳統(tǒng)CMOS 工藝兼容等優(yōu)勢，目前已經(jīng)被 Samsung、Spansion、Fujistu、IMEC等國際著名半導(dǎo)體公司廣泛研究。在二元金屬氧化物中，HfO2又以其具有高介電常數(shù)、寬帶隙、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點而得到重視。

本文所采用的RRAM器件結(jié)構(gòu)為Cu/HfO2/Pt，其中基于中芯國際0.13um標準邏輯完成前端CMOS工藝，后端工藝中的頂層互連Cu線作為下電極，采用離子束濺射工藝制備完成HfO2作為阻變層，通過電子束蒸發(fā)工藝制備完成Pt作為上電極，最終形成1T1R結(jié)構(gòu)器件。其中Pt和HfO2厚度分別為60nm和6nm。圖1所示為制備完成后1T1R器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 1T1R器件結(jié)構(gòu)示意圖

2 1T1R阻變存儲器電學(xué)特性

阻變存儲器電學(xué)特性指標主要包括器件的操作電壓、均一性、疲勞特性、保持特性等。器件的工作狀態(tài)與每一個性能指標都密不可分，因此真正清楚地理解和研究這些電學(xué)特性對于阻變存儲器的應(yīng)用具有重要意義。

2.1 操作電壓

對于阻變存儲器，進行Set過程和Reset過程均需要施加相應(yīng)的操作電壓激勵來實現(xiàn)高低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。在Set過程和Reset過程中，過高的操作電壓激勵會在阻變層內(nèi)產(chǎn)生過多的缺陷和不可恢復(fù)的損傷，這樣不僅會對器件隨后的可重復(fù)性操作和穩(wěn)定性都有影響，而且也不利于低功耗的應(yīng)用。因此，操作電壓對于器件的穩(wěn)定性工作起著極其重要的作用。

圖2所示為基于1T1R結(jié)構(gòu)的典型I-V特性曲線。其中Set過程時，我們采用源極直流電壓掃描（Source Sweep）的方法，而Reset過程時，我們采用漏極直流電壓掃描（Drain Sweep）的方法。兩種方法均需要對柵極施加一定的激勵電壓，保證晶體管的開啟。器件的典型參數(shù)如下：Set電壓為1.5V左右，Reset電壓為0.5V左右，限流為1mA。

圖2 Cu/HfO2/Pt結(jié)構(gòu)的1T1R器件典型I-V特性曲線

2.2 均一性

阻變存儲器的均一性是指對單個器件重復(fù)多次擦寫讀操作之間參數(shù)的大小差別或者是器件與器件之間各個性能參數(shù)的差異。對于單個器件來說，我們希望每次對器件操作的各個參數(shù)能在一定范圍內(nèi)波動，這個波動范圍越小越好。

圖3所示為在直流掃描下和脈沖掃描下得到的高阻態(tài) （HRS）與低阻態(tài)（LRS）的統(tǒng)計分布圖。我們可以清楚地發(fā)現(xiàn)無論是在哪一種掃描方式下，器件在多次操作后阻值基本保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，體現(xiàn)了較好的均一性。

圖3 1T1R阻變存儲器HRS與LRS統(tǒng)計分布曲線圖

2.3 疲勞特性

疲勞特性（Endurance）也可以稱為耐久力，或者可重復(fù)擦寫次數(shù)。像FLASH一樣，RRAM作為非揮發(fā)性存儲器，必須保證一定的操作次數(shù)。當然我們希望可重復(fù)擦寫次數(shù)越多越好，這樣整個存儲器芯片的壽命會大大增加。對于單個器件的Endurance，通常采用脈沖測試來獲取可重復(fù)擦寫次數(shù)，三星M.J.Lee等人在2011年已經(jīng)把單個器件的Endurance提升到了1012。圖4和圖5分別表示直流掃描下和脈沖掃描下的Endurance測試結(jié)果。基于金屬導(dǎo)電細絲機制，我們發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，高低阻態(tài)穩(wěn)定地發(fā)生轉(zhuǎn)變，主要原因是在阻變層內(nèi)部，Cu在電極之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使導(dǎo)電細絲不斷的生長和斷裂。

圖4 直流掃描下的1T1R阻變存儲器疲勞特性曲線

圖5 脈沖掃描下的1T1R阻變存儲器疲勞特性曲線

2.4 保持特性

衡量阻變存儲器性能指標的另一個要素就是數(shù)據(jù)保持特性（Data Retention）。所謂數(shù)據(jù)保持特性，就是RRAM器件單元在編程形成高低阻態(tài)之后，能夠保持原有阻態(tài)的時間。由于常溫下RRAM的高低阻態(tài)會保持很長一段時間，因此對于RRAM數(shù)據(jù)保持特性通常采用高溫加速老化的方法，即在高溫環(huán)境中烘烤RRAM器件以加速數(shù)據(jù)的丟失。

由于本文制備的樣品初始態(tài)均為高阻態(tài)，而且保持穩(wěn)定，因此，本文主要針對低阻態(tài)的保持特性進行研究。首先選取20個單元編程至低阻態(tài)，將編程好以后的單元放至烤箱中進行烘烤，并設(shè)定具體的烘烤溫度（本文設(shè)定烘烤溫度為150℃）和烘烤時間。烘烤過后，將樣品取出冷卻至室溫并進行選中單元阻值的讀取，繼續(xù)將樣品放至烤箱中烘烤，記錄每隔一段時間后阻值的變化情況。圖6表示經(jīng)過高溫加速老化后的低阻態(tài)（LRS）隨時間的變化曲線。我們把阻值等于10K視為一個臨界值，當?shù)妥钁B(tài)大于10K時認為器件失效。測試結(jié)果表明，低阻態(tài)的器件在105sec內(nèi)的失效率為45%，表現(xiàn)出了較好的保持特性。

圖6 150℃下低阻態(tài)的數(shù)據(jù)保持特性曲線

3 結(jié)論

本文以中芯國際生產(chǎn)線的前道CMOS工藝及后道互聯(lián)工藝為基礎(chǔ)，成功開發(fā)了以Cu/HfO2/Pt為材料結(jié)構(gòu)的1T1R基本操作單元?；谠?T1R結(jié)構(gòu)，展開電學(xué)特性的研究，主要包括典型的I-V特性、操作電壓、均一性、疲勞特性以及保持特性等。對于1T1R結(jié)構(gòu)器件，如何降低RRAM器件的電流密度、使操作電壓更穩(wěn)定、提高疲勞特性（Endurance）及保持特性(Retention)仍是一個重要的研究方向。

［1］王源.新一代存儲技術(shù)：阻變存儲器[J].北京大學(xué)學(xué)報,2011.

［2］王艷,劉琦.摻雜技術(shù)對阻變存儲器電學(xué)性能的改進[J].科學(xué)通報,2012(05).