阻变存储器电学特性的研究

刘若愚 许晓欣 刘洪涛

（贵州大学 微纳电子技术重点实验室，贵州 贵阳550025）

0 引言

随着现代半导体技术的发展，人们对于存储器的需求越来越高。传统的FLASH非挥发性存储器由于隧穿氧化层减薄，导致电荷保持性能下降。因此，新型非挥发性存储技术的研究越来越受到关注，如铁电存储器（FeRAM）、磁存储器（MRAM）、相变存储器（PRAM）、阻变存储器（RRAM）等。阻变存储器由于具有结构简单、集成密度高、功耗低、疲劳特性好、数据保持时间长、与CMOS工艺兼容等优点，被业界认为是下一代非挥发性存储器最有竞争力的候选者之一[1]。然而，阻变存储器在走向应用之前还要克服很多困难，其中关键一点便是提高其电学性能，例如操作电压、均一性、疲劳特性、数据保持特性等。

1 1T1R器件结构及工艺制备

对于阻变存储器（RRAM）集成技术而言，可以采用3种基本结构，即 0T1R（one resistor）、1D1R（one diode one resistor）和 1T1R（one transistor one resistor）。其中1T1R结构采用晶体管作选通开关，具有制造工艺成熟、泄露电流小等优点，已经开始受到越来越多地关注和研究[2]。

本文以1T1R单元为基础，重点讨论RRAM器件的电学特性。

阻变存储器的材料体系种类繁多，可以包括有机材料、固态电解质材料、复杂氧化物以及二元金属氧化物等。与其他材料相比，二元金属氧化物具有成分简单、组份易于控制、制备简单、制造过程与传统CMOS 工艺兼容等优势，目前已经被 Samsung、Spansion、Fujistu、IMEC等国际著名半导体公司广泛研究。在二元金属氧化物中，HfO2又以其具有高介电常数、宽带隙、热稳定性好等优点而得到重视。

本文所采用的RRAM器件结构为Cu/HfO2/Pt，其中基于中芯国际0.13um标准逻辑完成前端CMOS工艺，后端工艺中的顶层互连Cu线作为下电极，采用离子束溅射工艺制备完成HfO2作为阻变层，通过电子束蒸发工艺制备完成Pt作为上电极，最终形成1T1R结构器件。其中Pt和HfO2厚度分别为60nm和6nm。图1所示为制备完成后1T1R器件的结构示意图。

图1 1T1R器件结构示意图

2 1T1R阻变存储器电学特性

阻变存储器电学特性指标主要包括器件的操作电压、均一性、疲劳特性、保持特性等。器件的工作状态与每一个性能指标都密不可分，因此真正清楚地理解和研究这些电学特性对于阻变存储器的应用具有重要意义。

2.1 操作电压

对于阻变存储器，进行Set过程和Reset过程均需要施加相应的操作电压激励来实现高低阻态的转变。在Set过程和Reset过程中，过高的操作电压激励会在阻变层内产生过多的缺陷和不可恢复的损伤，这样不仅会对器件随后的可重复性操作和稳定性都有影响，而且也不利于低功耗的应用。因此，操作电压对于器件的稳定性工作起着极其重要的作用。

图2所示为基于1T1R结构的典型I-V特性曲线。其中Set过程时，我们采用源极直流电压扫描（Source Sweep）的方法，而Reset过程时，我们采用漏极直流电压扫描（Drain Sweep）的方法。两种方法均需要对栅极施加一定的激励电压，保证晶体管的开启。器件的典型参数如下：Set电压为1.5V左右，Reset电压为0.5V左右，限流为1mA。

图2 Cu/HfO2/Pt结构的1T1R器件典型I-V特性曲线

2.2 均一性

阻变存储器的均一性是指对单个器件重复多次擦写读操作之间参数的大小差别或者是器件与器件之间各个性能参数的差异。对于单个器件来说，我们希望每次对器件操作的各个参数能在一定范围内波动，这个波动范围越小越好。

图3所示为在直流扫描下和脉冲扫描下得到的高阻态 （HRS）与低阻态（LRS）的统计分布图。我们可以清楚地发现无论是在哪一种扫描方式下，器件在多次操作后阻值基本保持在一个稳定的范围内，体现了较好的均一性。

图3 1T1R阻变存储器HRS与LRS统计分布曲线图

2.3 疲劳特性

疲劳特性（Endurance）也可以称为耐久力，或者可重复擦写次数。像FLASH一样，RRAM作为非挥发性存储器，必须保证一定的操作次数。当然我们希望可重复擦写次数越多越好，这样整个存储器芯片的寿命会大大增加。对于单个器件的Endurance，通常采用脉冲测试来获取可重复擦写次数，三星M.J.Lee等人在2011年已经把单个器件的Endurance提升到了1012。图4和图5分别表示直流扫描下和脉冲扫描下的Endurance测试结果。基于金属导电细丝机制，我们发现随着循环次数的增加，高低阻态稳定地发生转变，主要原因是在阻变层内部，Cu在电极之间发生氧化还原反应，使导电细丝不断的生长和断裂。

图4 直流扫描下的1T1R阻变存储器疲劳特性曲线

图5 脉冲扫描下的1T1R阻变存储器疲劳特性曲线

2.4 保持特性

衡量阻变存储器性能指标的另一个要素就是数据保持特性（Data Retention）。所谓数据保持特性，就是RRAM器件单元在编程形成高低阻态之后，能够保持原有阻态的时间。由于常温下RRAM的高低阻态会保持很长一段时间，因此对于RRAM数据保持特性通常采用高温加速老化的方法，即在高温环境中烘烤RRAM器件以加速数据的丢失。

由于本文制备的样品初始态均为高阻态，而且保持稳定，因此，本文主要针对低阻态的保持特性进行研究。首先选取20个单元编程至低阻态，将编程好以后的单元放至烤箱中进行烘烤，并设定具体的烘烤温度（本文设定烘烤温度为150℃）和烘烤时间。烘烤过后，将样品取出冷却至室温并进行选中单元阻值的读取，继续将样品放至烤箱中烘烤，记录每隔一段时间后阻值的变化情况。图6表示经过高温加速老化后的低阻态（LRS）随时间的变化曲线。我们把阻值等于10K视为一个临界值，当低阻态大于10K时认为器件失效。测试结果表明，低阻态的器件在105sec内的失效率为45%，表现出了较好的保持特性。

图6 150℃下低阻态的数据保持特性曲线

3 结论

本文以中芯国际生产线的前道CMOS工艺及后道互联工艺为基础，成功开发了以Cu/HfO2/Pt为材料结构的1T1R基本操作单元。基于该1T1R结构，展开电学特性的研究，主要包括典型的I-V特性、操作电压、均一性、疲劳特性以及保持特性等。对于1T1R结构器件，如何降低RRAM器件的电流密度、使操作电压更稳定、提高疲劳特性（Endurance）及保持特性(Retention)仍是一个重要的研究方向。

［1］王源.新一代存储技术：阻变存储器[J].北京大学学报,2011.

［2］王艳,刘琦.掺杂技术对阻变存储器电学性能的改进[J].科学通报,2012(05).