阻變存儲器電學特性的研究

劉若愚 許曉欣 劉洪濤

（貴州大學 微納電子技術重點實驗室，貴州 貴陽550025）

0 引言

隨著現代半導體技術的發展，人們對于存儲器的需求越來越高。傳統的FLASH非揮發性存儲器由于隧穿氧化層減薄，導致電荷保持性能下降。因此，新型非揮發性存儲技術的研究越來越受到關注，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構簡單、集成密度高、功耗低、疲勞特性好、數據保持時間長、與CMOS工藝兼容等優點，被業界認為是下一代非揮發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用之前還要克服很多困難，其中關鍵一點便是提高其電學性能，例如操作電壓、均一性、疲勞特性、數據保持特性等。

1 1T1R器件結構及工藝制備

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

本文以1T1R單元為基礎，重點討論RRAM器件的電學特性。

阻變存儲器的材料體系種類繁多，可以包括有機材料、固態電解質材料、復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CMOS 工藝兼容等優勢，目前已經被 Samsung、Spansion、Fujistu、IMEC等國際著名半導體公司廣泛研究。在二元金屬氧化物中，HfO2又以其具有高介電常數、寬帶隙、熱穩定性好等優點而得到重視。

本文所采用的RRAM器件結構為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，通過電子束蒸發工藝制備完成Pt作為上電極，最終形成1T1R結構器件。其中Pt和HfO2厚度分別為60nm和6nm。圖1所示為制備完成后1T1R器件的結構示意圖。

圖1 1T1R器件結構示意圖

2 1T1R阻變存儲器電學特性

阻變存儲器電學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特性對于阻變存儲器的應用具有重要意義。

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的操作電壓激勵來實現高低阻態的轉變。在Set過程和Reset過程中，過高的操作電壓激勵會在阻變層內產生過多的缺陷和不可恢復的損傷，這樣不僅會對器件隨后的可重復性操作和穩定性都有影響，而且也不利于低功耗的應用。因此，操作電壓對于器件的穩定性工作起著極其重要的作用。

圖2所示為基于1T1R結構的典型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結構的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多次擦寫讀操作之間參數的大小差別或者是器件與器件之間各個性能參數的差異。對于單個器件來說，我們希望每次對器件操作的各個參數能在一定范圍內波動，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 （HRS）與低阻態（LRS）的統計分布圖。我們可以清楚地發現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定的范圍內，體現了較好的均一性。

圖3 1T1R阻變存儲器HRS與LRS統計分布曲線圖

2.3 疲勞特性

疲勞特性（Endurance）也可以稱為耐久力，或者可重復擦寫次數。像FLASH一樣，RRAM作為非揮發性存儲器，必須保證一定的操作次數。當然我們希望可重復擦寫次數越多越好，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擦寫次數，三星M.J.Lee等人在2011年已經把單個器件的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測試結果?；诮饘賹щ娂毥z機制，我們發現隨著循環次數的增加，高低阻態穩定地發生轉變，主要原因是在阻變層內部，Cu在電極之間發生氧化還原反應，使導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據保持特性（Data Retention）。所謂數據保持特性，就是RRAM器件單元在編程形成高低阻態之后，能夠保持原有阻態的時間。由于常溫下RRAM的高低阻態會保持很長一段時間，因此對于RRAM數據保持特性通常采用高溫加速老化的方法，即在高溫環境中烘烤RRAM器件以加速數據的丟失。

由于本文制備的樣品初始態均為高阻態，而且保持穩定，因此，本文主要針對低阻態的保持特性進行研究。首先選取20個單元編程至低阻態，將編程好以后的單元放至烤箱中進行烘烤，并設定具體的烘烤溫度（本文設定烘烤溫度為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表示經過高溫加速老化后的低阻態（LRS）隨時間的變化曲線。我們把阻值等于10K視為一個臨界值，當低阻態大于10K時認為器件失效。測試結果表明，低阻態的器件在105sec內的失效率為45%，表現出了較好的保持特性。

圖6 150℃下低阻態的數據保持特性曲線

3 結論

本文以中芯國際生產線的前道CMOS工藝及后道互聯工藝為基礎，成功開發了以Cu/HfO2/Pt為材料結構的1T1R基本操作單元?；谠?T1R結構，展開電學特性的研究，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結構器件，如何降低RRAM器件的電流密度、使操作電壓更穩定、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：阻變存儲器[J].北京大學學報,2011.

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