阻变存储器可靠性的研究

沈冬云

摘要：随着我国现代化建设的不断发展，各种存储器设备在工业生产与民用消费中得到了广泛应用。我国在集成电路制造领域不断进步的过程中，以浮栅结构为基础的FLASH存储器在物理尺寸上已经达到物理极限，如何对储存器进行进一步的开发已经成为相关机械十分重要的研究课题之一。

中阻变存储器以结合简单、高速度、低功耗等方面的特点得到了广泛的关注。然而，中阻变存储器在技术与应用上还没有十分成熟，在可靠性方面也没十分充分的保证。本文对阻变存储器在可靠性方面的问题进行了详细的阐述与分析，并根据具体的问题提出了相关的解决方法，希望可以起到参考作用。

关键词：问题分析；可靠性国；阻变存储器

阻变存储器属于三明治结构器件的一种，内部结构中的电极材料对于器件的性能也有一定的影响。对于阻变存储器的研究目前主要集中在电极材料与功能层材料上。

一、器件的工艺制备

本次实验研究所采用的器件结构为1T1R，通常情况下，晶体管能够起到限流与形状两方面的作用，阻变存储器结构为Pt/Ti/HfOx/Cu结构，其中Cu是阻变存储器的下电极，在CMP工艺处理下，该部件能够起到电极的作用。功能层FfOx，离子束或ALD蒸发生长。Ti/Pt为上电极，粘附层为Ti层，能够使功能层与Pt的粘附性得到提，上电极Ti/Pt与功能层HfOx，厚度分别为70nm与6nm。具体工艺流程如下。

（一）硅片清洗

以硅片为衬底，阻态越高越好，去掉硅片表面所附着的有机物，具体操作方法为通过双氧水与浓硫酸对硅片进行冲洗，再对氢氟酸溶液进行稀释处理，将自然氧化层去除掉，再用气氛将水分吹干。

（二）SiO2层的生长

SiO2能够对硅片起到决绝作用，在对硅片清洗干净后将其置于热氧化炉，经过4-5小时的干法氧化后，SiO2会得到生长，可以达到200nm的厚度；

（三）ZrO2或HfO2原子层或原子层沉积或离子束溅射

以HfO2为例对ALD的生长进行分析，以水与四乙基甲胺基铪为前驱体，通过原子层沉积来加厚HfO2薄膜，使该薄膜有厚度达到8nm。ALD在生长过程中需要對沉积设备的温度严格控制在210℃以内，通过循环控制的方式对薄膜厚度进行控制。

二、开关速度

当前我们比较常用的存储器设备为Llash存储器，之种存储器设备在读写速度上有着比较大的局限性，在USB2.0使用环境下，其读写速度上理论上可以达到480Mbps，在USB3.0使用环境下，其读写速度上理论上可以达到5Gbps的读写速度。然而在具体的应用过程中，U盘在USB2.0的使用环境下其读写速度通常在20Mbps以下，在USB3.0的使用环境下其读写速度通常在100Mbps以下，造成之种现象的原因主要在于芯片自身读写速度不足。

当前我国市场上可以买到的u盘其内部的存储器结构主要为浮栅结构，擦写时间为毫秒级别。而阻变存储器则能够达到10ns以内的转变速度，在未波器通道的支持下，能够对阻变存储器的输出脉冲与输入脉冲进行监控，同时也可以根据监控结果对器件转变速度进行计算。

三、保持特性

保持特性是存储器一个十分重要的参数，指的是器件稳定在一个组态所能够操持的时间，具体包含高阻态保持时间与低阻态保持时间两种。

四、器件的疲劳特性

一般情况下，阻变存储器器件的擦写次数会依赖于很多因素：材料、操作过程、器件结构和操作方法。一般情况下，在循环测试中，器件的高阻态会下降，最后不能RESET到高阻态，从而失效在低阻态。原因很多比如氧空位的积累：太多的氧空位在电极界面附近产生；太多的氧空位分布在导电细丝周围；太多的氧空位分布在功能层等等。

有时候低阻态在循环过程中会上升，这是由于在电极和功能层之间形成了界面氧化层，氧空位会在此位置积累，造成SET过程不能形成完整的细丝，当然，有时候如果SET过程的组态太低，也会无法RESET，因为粗壮的细丝需要很大的焦耳热才能熔断。所以控制电阻在一个合适的组态很关键。由于器件工艺的不稳地，会造成电极表面的不平整，进而造成器件在加压过程中电场分布不均匀，最后的结果是器件的组态一致性比较差，所以在电极上进行CMPI艺磨平也是提高擦写次数的一个因素。另外，在阻变存储器器件尺寸缩小时，其高低组态的变化与器件尺寸呈现不一样的关系。对于高阻态其阻值随着器件面积的增加逐渐下降，是线性变化规律。而低阻态是一个欧姆导电类型，所以其阻值随着器件面积的增加变化不大。

结束语：

在研究阻变存储器可靠性的过程中，研究人员需要对新、旧两种测量方法进行深入的研究与分析，本文详细介绍了编程的测量方法，通过对栅极电压进行调整的方式，实现对阻变存储器器件电流的控制。