阻變存儲(chǔ)器可靠性的研究

沈冬云

摘要：隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，各種存儲(chǔ)器設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)與民用消費(fèi)中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)在集成電路制造領(lǐng)域不斷進(jìn)步的過(guò)程中，以浮柵結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的FLASH存儲(chǔ)器在物理尺寸上已經(jīng)達(dá)到物理極限，如何對(duì)儲(chǔ)存器進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為相關(guān)機(jī)械十分重要的研究課題之一。

中阻變存儲(chǔ)器以結(jié)合簡(jiǎn)單、高速度、低功耗等方面的特點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。然而，中阻變存儲(chǔ)器在技術(shù)與應(yīng)用上還沒(méi)有十分成熟，在可靠性方面也沒(méi)十分充分的保證。本文對(duì)阻變存儲(chǔ)器在可靠性方面的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與分析，并根據(jù)具體的問(wèn)題提出了相關(guān)的解決方法，希望可以起到參考作用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)栴}分析；可靠性國(guó)；阻變存儲(chǔ)器

阻變存儲(chǔ)器屬于三明治結(jié)構(gòu)器件的一種，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的電極材料對(duì)于器件的性能也有一定的影響。對(duì)于阻變存儲(chǔ)器的研究目前主要集中在電極材料與功能層材料上。

一、器件的工藝制備

本次實(shí)驗(yàn)研究所采用的器件結(jié)構(gòu)為1T1R，通常情況下，晶體管能夠起到限流與形狀兩方面的作用，阻變存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)為Pt/Ti/HfOx/Cu結(jié)構(gòu)，其中Cu是阻變存儲(chǔ)器的下電極，在CMP工藝處理下，該部件能夠起到電極的作用。功能層FfOx，離子束或ALD蒸發(fā)生長(zhǎng)。Ti/Pt為上電極，粘附層為T(mén)i層，能夠使功能層與Pt的粘附性得到提，上電極Ti/Pt與功能層HfOx，厚度分別為70nm與6nm。具體工藝流程如下。

（一）硅片清洗

以硅片為襯底，阻態(tài)越高越好，去掉硅片表面所附著的有機(jī)物，具體操作方法為通過(guò)雙氧水與濃硫酸對(duì)硅片進(jìn)行沖洗，再對(duì)氫氟酸溶液進(jìn)行稀釋處理，將自然氧化層去除掉，再用氣氛將水分吹干。

（二）SiO2層的生長(zhǎng)

SiO2能夠?qū)杵鸬經(jīng)Q絕作用，在對(duì)硅片清洗干凈后將其置于熱氧化爐，經(jīng)過(guò)4-5小時(shí)的干法氧化后，SiO2會(huì)得到生長(zhǎng)，可以達(dá)到200nm的厚度；

（三）ZrO2或HfO2原子層或原子層沉積或離子束濺射

以HfO2為例對(duì)ALD的生長(zhǎng)進(jìn)行分析，以水與四乙基甲胺基鉿為前驅(qū)體，通過(guò)原子層沉積來(lái)加厚HfO2薄膜，使該薄膜有厚度達(dá)到8nm。ALD在生長(zhǎng)過(guò)程中需要對(duì)沉積設(shè)備的溫度嚴(yán)格控制在210℃以?xún)?nèi)，通過(guò)循環(huán)控制的方式對(duì)薄膜厚度進(jìn)行控制。

二、開(kāi)關(guān)速度

當(dāng)前我們比較常用的存儲(chǔ)器設(shè)備為L(zhǎng)lash存儲(chǔ)器，之種存儲(chǔ)器設(shè)備在讀寫(xiě)速度上有著比較大的局限性，在USB2.0使用環(huán)境下，其讀寫(xiě)速度上理論上可以達(dá)到480Mbps，在USB3.0使用環(huán)境下，其讀寫(xiě)速度上理論上可以達(dá)到5Gbps的讀寫(xiě)速度。然而在具體的應(yīng)用過(guò)程中，U盤(pán)在USB2.0的使用環(huán)境下其讀寫(xiě)速度通常在20Mbps以下，在USB3.0的使用環(huán)境下其讀寫(xiě)速度通常在100Mbps以下，造成之種現(xiàn)象的原因主要在于芯片自身讀寫(xiě)速度不足。

當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的u盤(pán)其內(nèi)部的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)主要為浮柵結(jié)構(gòu)，擦寫(xiě)時(shí)間為毫秒級(jí)別。而阻變存儲(chǔ)器則能夠達(dá)到10ns以?xún)?nèi)的轉(zhuǎn)變速度，在未波器通道的支持下，能夠?qū)ψ枳兇鎯?chǔ)器的輸出脈沖與輸入脈沖進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也可以根據(jù)監(jiān)控結(jié)果對(duì)器件轉(zhuǎn)變速度進(jìn)行計(jì)算。

三、保持特性

保持特性是存儲(chǔ)器一個(gè)十分重要的參數(shù)，指的是器件穩(wěn)定在一個(gè)組態(tài)所能夠操持的時(shí)間，具體包含高阻態(tài)保持時(shí)間與低阻態(tài)保持時(shí)間兩種。

四、器件的疲勞特性

一般情況下，阻變存儲(chǔ)器器件的擦寫(xiě)次數(shù)會(huì)依賴(lài)于很多因素：材料、操作過(guò)程、器件結(jié)構(gòu)和操作方法。一般情況下，在循環(huán)測(cè)試中，器件的高阻態(tài)會(huì)下降，最后不能RESET到高阻態(tài)，從而失效在低阻態(tài)。原因很多比如氧空位的積累：太多的氧空位在電極界面附近產(chǎn)生；太多的氧空位分布在導(dǎo)電細(xì)絲周?chē)?；太多的氧空位分布在功能層等等?/p>

有時(shí)候低阻態(tài)在循環(huán)過(guò)程中會(huì)上升，這是由于在電極和功能層之間形成了界面氧化層，氧空位會(huì)在此位置積累，造成SET過(guò)程不能形成完整的細(xì)絲，當(dāng)然，有時(shí)候如果SET過(guò)程的組態(tài)太低，也會(huì)無(wú)法RESET，因?yàn)榇謮训募?xì)絲需要很大的焦耳熱才能熔斷。所以控制電阻在一個(gè)合適的組態(tài)很關(guān)鍵。由于器件工藝的不穩(wěn)地，會(huì)造成電極表面的不平整，進(jìn)而造成器件在加壓過(guò)程中電場(chǎng)分布不均勻，最后的結(jié)果是器件的組態(tài)一致性比較差，所以在電極上進(jìn)行CMPI藝磨平也是提高擦寫(xiě)次數(shù)的一個(gè)因素。另外，在阻變存儲(chǔ)器器件尺寸縮小時(shí)，其高低組態(tài)的變化與器件尺寸呈現(xiàn)不一樣的關(guān)系。對(duì)于高阻態(tài)其阻值隨著器件面積的增加逐漸下降，是線性變化規(guī)律。而低阻態(tài)是一個(gè)歐姆導(dǎo)電類(lèi)型，所以其阻值隨著器件面積的增加變化不大。

結(jié)束語(yǔ)：

在研究阻變存儲(chǔ)器可靠性的過(guò)程中，研究人員需要對(duì)新、舊兩種測(cè)量方法進(jìn)行深入的研究與分析，本文詳細(xì)介紹了編程的測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)柵極電壓進(jìn)行調(diào)整的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)阻變存儲(chǔ)器器件電流的控制。