一种Cu_xSi_yO阻变存储器的温度特性与微观机制分析.pdf

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1、第5l卷第1期复旦学报(自然科学版)Vo1．51No．12012年2月JournalofFudanUniversity(NaturalScience)Feb．2012文章编号：04277104(2012)01—0071—06一种CuSiO阻变存储器的温度特性与微观机制分析罗文进，胡倍源，杨玲明，林殷茵(复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海201203)摘要：应用有效控制温度偏置的方法对基于0．13mCMOS工艺的Ta／TaN／CuxSiO／Cu结构的1Mbit阻变存储芯片进行开关性能和高低阻态导电性能的测试，介于一4O～1

2、25℃温度区间的统计结果表明：set成功过程所需加载电场能量随偏置温度升高而升高，reset成功过程所需加载电场能量随偏置温度升高而降低；高阻态和低阻态随不同偏置温度呈现相似变化趋势——在一40～25℃问阻值均随偏置温度升高而升高，在25～125℃间均随偏置温度升高而呈下降趋势．针对以上现象提出了电学与热学结合的基于filament的微观模型，由铜空位构成的filament局部的反复形成与断裂对应于阻变存储器从高阻态到低阻态的重复转换，分析了电学和热学各自在Csi()系列的阻变存储器开关和导电微观机制中所起作用．关键词：温度偏置；C

3、uxSi0；阻变存储器；开关；导电；热学；微观模型中图分类号：TN492文献标志码：A正在投入研究的众多种类的阻变存储器(resistiverandomaccessmemory，RRAM)中，基于金属一氧化物一金属(metal—insulator-metal，MIM)结构的氧化铜(copperoxide，CuxO)系列的RRAM，具有低功耗、快速、高可靠性、容易与后端逻辑工艺兼容等优异性能_1]，因此受到高度关注．RRAM有2种转换过程，即从高阻态(highresistancestate，HRS)到低阻态(1owresistance

4、state，LRS)对应的set过程，和从低阻态(LRS)到高阻态(HRS)对应的reset过程．对于C0系列的RRAM所对应的2种过程的转换机制，以及HRS／LRS的导电机制的解释，还存在较大争议．主要有局部导电的通道(filament)E33、基于氧化还原反应形成Cu电桥_4]和载流子陷阱¨1]等解释．其中：氧化还原反应形成Cu电桥理论一般仅适于set／reset电压小于0．5V，set／reset电流小于100A的情况；Chen等l1将Cu2ORRAM的转换机制归结于界面缺陷的释放与俘获，然而并没有直观的实验证据说明缺陷的构成

5、与如何俘获的情况；众多解释中，局部导电的filament理论成为近期RRAM机制研究的焦点，同时在其他系列如NiOE，SrTiO。_8]等RRAM中，也通过原子力显微镜(atomicforcemicroscope，AFM)直接观察到filament的存在．从本研究体系之前的成果l2来看更倾向于filament理论，但到目前为止对CuO系列RRAM中filament的研究更多聚焦于证明filament的存在与否，而对导电filament的具体构成与形成断裂机制并无定论．另一方面，随着非挥发存储器在消费电子和汽车电子领域的广泛运用，在对

6、其提出更大容量和更高使用频率的要求时，不得不面对随之引起的可靠性和抗环境干扰的能力下降的矛盾，其中由温度变化的热学干扰以及带来的可靠性问题尤为突出．目前对RRAM随温度变化情况的研究较多局限在高温情况下失效机制的研究，Chen_1等将基于氧化铜结构的RRAM编程至HRS和LRS，然后将其放在较高温度下观察其失效几率；而后许多文章lg。。]都将85℃下推算出十年的数据保持能力作为衡量数据保持能力(retention)的标准．然而在芯片的使用中除了需要考虑其失效因素，对其未失效时受温度影响情况的研究也极为重要，由此可了解非极限温度下RR

7、AM正常工作时受温度影响的规律．此外，目前鲜有的研究非失效机制情况下受温度影响的文章中，均聚焦于大于25℃的情况，较少关心较低温度的情况．而SamsungElectronicsCo．，Ltd．在2010年的IEDM中给出了在较低温度(100~300K)下RRAMLRS的收稿日期：2011—05—20作者简介：罗文进(1987一)，女，硕士研究生；林殷茵，教授，博士生导师，通讯联系人，E-mail：yylin@fudan．edu．cn．72复旦学报(自然科学版)第51卷j曲线随温度变化出现较大分离的实验结果_1引，Shi等观察到其高氧

8、含量的Ag／Ia。CuO+RRAM在温度降至200K低温时出现异常情况，即骤然失去HRS、LRS的差别而失去阻变能力．本文也在研究大量统计数据并多次重复测试中发现，较低温度时RRAM芯片呈现的规律与高温时呈现规律并不相同．RRAM的实