阻變存儲器可靠性的研究

沈冬云

摘要：隨著我國現代化建設的不斷發展，各種存儲器設備在工業生產與民用消費中得到了廣泛應用。我國在集成電路制造領域不斷進步的過程中，以浮柵結構為基礎的FLASH存儲器在物理尺寸上已經達到物理極限，如何對儲存器進行進一步的開發已經成為相關機械十分重要的研究課題之一。

中阻變存儲器以結合簡單、高速度、低功耗等方面的特點得到了廣泛的關注。然而，中阻變存儲器在技術與應用上還沒有十分成熟，在可靠性方面也沒十分充分的保證。本文對阻變存儲器在可靠性方面的問題進行了詳細的闡述與分析，并根據具體的問題提出了相關的解決方法，希望可以起到參考作用。

關鍵詞：問題分析；可靠性國；阻變存儲器

阻變存儲器屬于三明治結構器件的一種，內部結構中的電極材料對于器件的性能也有一定的影響。對于阻變存儲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

本次實驗研究所采用的器件結構為1T1R，通常情況下，晶體管能夠起到限流與形狀兩方面的作用，阻變存儲器結構為Pt/Ti/HfOx/Cu結構，其中Cu是阻變存儲器的下電極，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蒸發生長。Ti/Pt為上電極，粘附層為Ti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，阻態越高越好，去掉硅片表面所附著的有機物，具體操作方法為通過雙氧水與濃硫酸對硅片進行沖洗，再對氫氟酸溶液進行稀釋處理，將自然氧化層去除掉，再用氣氛將水分吹干。

（二）SiO2層的生長

SiO2能夠對硅片起到決絕作用，在對硅片清洗干凈后將其置于熱氧化爐，經過4-5小時的干法氧化后，SiO2會得到生長，可以達到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ALD的生長進行分析，以水與四乙基甲胺基鉿為前驅體，通過原子層沉積來加厚HfO2薄膜，使該薄膜有厚度達到8nm。ALD在生長過程中需要對沉積設備的溫度嚴格控制在210℃以內，通過循環控制的方式對薄膜厚度進行控制。

二、開關速度

當前我們比較常用的存儲器設備為Llash存儲器，之種存儲器設備在讀寫速度上有著比較大的局限性，在USB2.0使用環境下，其讀寫速度上理論上可以達到480Mbps，在USB3.0使用環境下，其讀寫速度上理論上可以達到5Gbps的讀寫速度。然而在具體的應用過程中，U盤在USB2.0的使用環境下其讀寫速度通常在20Mbps以下，在USB3.0的使用環境下其讀寫速度通常在100Mbps以下，造成之種現象的原因主要在于芯片自身讀寫速度不足。

當前我國市場上可以買到的u盤其內部的存儲器結構主要為浮柵結構，擦寫時間為毫秒級別。而阻變存儲器則能夠達到10ns以內的轉變速度，在未波器通道的支持下，能夠對阻變存儲器的輸出脈沖與輸入脈沖進行監控，同時也可以根據監控結果對器件轉變速度進行計算。

三、保持特性

保持特性是存儲器一個十分重要的參數，指的是器件穩定在一個組態所能夠操持的時間，具體包含高阻態保持時間與低阻態保持時間兩種。

四、器件的疲勞特性

一般情況下，阻變存儲器器件的擦寫次數會依賴于很多因素：材料、操作過程、器件結構和操作方法。一般情況下，在循環測試中，器件的高阻態會下降，最后不能RESET到高阻態，從而失效在低阻態。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生；太多的氧空位分布在導電細絲周圍；太多的氧空位分布在功能層等等。

有時候低阻態在循環過程中會上升，這是由于在電極和功能層之間形成了界面氧化層，氧空位會在此位置積累，造成SET過程不能形成完整的細絲，當然，有時候如果SET過程的組態太低，也會無法RESET，因為粗壯的細絲需要很大的焦耳熱才能熔斷。所以控制電阻在一個合適的組態很關鍵。由于器件工藝的不穩地，會造成電極表面的不平整，進而造成器件在加壓過程中電場分布不均勻，最后的結果是器件的組態一致性比較差，所以在電極上進行CMPI藝磨平也是提高擦寫次數的一個因素。另外，在阻變存儲器器件尺寸縮小時，其高低組態的變化與器件尺寸呈現不一樣的關系。對于高阻態其阻值隨著器件面積的增加逐漸下降，是線性變化規律。而低阻態是一個歐姆導電類型，所以其阻值隨著器件面積的增加變化不大。

結束語：

在研究阻變存儲器可靠性的過程中，研究人員需要對新、舊兩種測量方法進行深入的研究與分析，本文詳細介紹了編程的測量方法，通過對柵極電壓進行調整的方式，實現對阻變存儲器器件電流的控制。