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改善三維集成阻變存儲器耐久性的方法與流程

文檔序號:12802873閱讀:235來源:國知局
改善三維集成阻變存儲器耐久性的方法與流程

本發(fā)明屬于微電子器件及存儲器技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種改善三維集成阻變存儲器的耐久性(endurance)的方法。



背景技術(shù):

器件在電壓作用下工作時,由于焦耳熱的作用將導致器件自身溫度發(fā)生變化,因此,由焦耳熱引起的熱效應在半導體器件中是一種普遍現(xiàn)象。半導體器件中不同的材料受熱后其膨脹系數(shù)不同,器件內(nèi)部的熱應力將分布不均。隨著三維(3d)集成阻變存儲器(rram)集成度的不斷提高,存儲單元數(shù)量急劇增加,這種由焦耳熱引起的熱效應將會變得更加嚴重。因此,隨著集成度的不斷增加,三維集成rram將面臨最大的挑戰(zhàn)是如何解決器件的熱效應問題,而這種熱效應現(xiàn)象伴隨著器件特征尺寸的下降,熱量分布對于rram器件的影響(如能耗,熱穩(wěn)定性等)變得尤為突出。特別是隨著存儲單元密度的不斷提升,相鄰單元之間的距離不斷減小,鄰近單元的熱串擾將嚴重制約著三維集成rram的發(fā)展和應用。

關(guān)于三維集成阻變存儲器,目前國內(nèi)外許多研究小組都投入了大量的精力進行研究且取得了不錯的研究成果,但是,由于實驗測量阻變存儲器三維集成中的熱效應難度大,目前常規(guī)的熱分析手段難以勝任,因此關(guān)于三維阻變存儲器在焦耳熱效應作用下的endurance特性的研究鮮有報道,相關(guān)的技術(shù)手段還有待于深入的研究。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

由上所述,本發(fā)明的目的在于針對目前三維集成阻變存儲器的熱效應研究的不足,本發(fā)明主要目的在于提供一種改善三維集成阻變存儲器的耐久性的方法。

為此,本發(fā)明提供了一種方法,用于改善3drram陣列的耐久性,包括步驟:

步驟1,通過3d傅立葉熱傳導方程計算陣列中溫度分布;

步驟2,選擇熱傳輸模式;

步驟3,選擇合適的陣列結(jié)構(gòu);

步驟4,分析陣列中集成度對于溫度的影響;

步驟5,評估陣列中器件的耐久性;

步驟6,根據(jù)評估結(jié)果改變陣列參數(shù)以提高耐久性。

其中,步驟1中3d傅立葉熱傳導方程為

其中kth表示熱導,t表示溫度,c表示熱容,ρ表示材料質(zhì)量密度,t表示時間,σ表示材料的電導;優(yōu)選地,材料的電導隨溫度變化,如以下公式(2)所示,

式(2)中,α表示電阻溫度系數(shù),σ0表示室溫t0下的電阻率;進一步優(yōu)選地,陣列頂部和底部的字線(wl)或位線(bl)具有理想的散熱封裝結(jié)構(gòu),陣列頂部和底部溫度在計算中保持室溫為t0,如公式(3)所示:

t-t0|bc=0(3)

其中,熱傳輸模式為(i)熱量在同一層器件之間通過隔離介質(zhì)材料傳遞,或(ii)在不同層rram器件之間沿豎直方向傳遞。

其中,陣列結(jié)構(gòu)為由1個rram與1個二極管構(gòu)成的器件單元所構(gòu)成的3d陣列。

其中,步驟5中,利用步驟1所述的公式,并使用rram器件導電細絲、二極管、字線/位線的物理參數(shù)的集合進行三維集成阻變器件熱效應的分析,其中物理參數(shù)選自以下組合的任一個或組合:半徑,厚度,熱導,熱容,室溫下參考電導率,寬度,復位電壓,室溫。

其中,步驟5中基于arrhenius定律采用瞬態(tài)溫度對電極壽命的影響進行衡量耐久性;優(yōu)選地,通過聯(lián)系rram的reset時間treset以及t=50ns時刻電極部分中的瞬態(tài)溫度,耐久性的度量nendurance可以表示為,

式中,tlliifetiime表示電極的壽命,基于arrhenius定律:tlliifetiime∝e(qea/ktp),q表示基元電荷量,k為波爾茲曼常數(shù),ea為金屬原子在周圍隔離材料中熱擴散的激活能。

其中,步驟6包括,采用高金屬遷移激活能的介質(zhì)材料隔離電極部分。

依照本發(fā)明的方法,考慮三維集成阻變器件中熱的傳輸模式,選擇合適的三維集成陣列,分析三維集成阻變器件中集成度對器件溫度的影響,評估三維集成阻變器件中的耐久性特性,改善三維集成阻變器件中耐久性特性的方法。

附圖說明

以下參照附圖來詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案,其中:

圖1示出了本發(fā)明提供的三維集成交叉陣列中可能的熱傳導路徑(白色箭頭)示意圖。

圖2(a)為本發(fā)明采用的三維集成阻變存儲器器件結(jié)構(gòu)示意圖,圖2(b)為單個器件單元由一個阻變存儲單元(rram),由電極和一個二極管(diode)串聯(lián)組成。

圖3為三種不同集成度的三維集成阻變存儲器結(jié)構(gòu)示意圖:(a)3×3×1,(b)3×3×2,(c)3×3×3。

圖4(a)-(c)為選用的陣列結(jié)構(gòu)示意圖;(d)-(f)為編程器件的溫度動態(tài)變化,其中陣列大小分別為(a)3×3×1、(b)3×3×2、(c)3×3×3;進行編程操作的rram和淺色的二極管相連,未進行編程的rram和深色二極管相連,淺色字線/位線上施加電壓v,深色字線/位線接地。

圖5示出了3×3×1、3×3×2、3×3×3三種不同陣列下,電極部分最高溫度隨時間的變化,與圖4(a)-(c)相對應。

圖6示出了計算所得3×3×1、3×3×2、3×3×3三種陣列大小下系統(tǒng)的endurance特性與ea的依賴關(guān)系。

圖7為依照本發(fā)明方法的示意性流程圖。

具體實施方式

以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果,公開了能有效改善3drram陣列耐久性的 方法。需要指出的是,類似的附圖標記表示類似的結(jié)構(gòu),本申請中所用的術(shù)語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或制造工序。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或制造工序的空間、次序或?qū)蛹夑P(guān)系。

該方法包括以下步驟:

步驟1:通過三維傅里葉熱傳導方程計算集成陣列中的溫度分布

rram三維集成陣列中溫度的分布可以采用各種熱傳導模型及其對應的方程來描述,但是基于精確度考慮,最優(yōu)地通過公式(1)所示的三維傅里葉熱傳導方程進行描述:

式(1)中,kth表示熱導,t表示溫度,c表示熱容,ρ表示材料質(zhì)量密度,t表示時間,σ表示材料的電導。而材料的電導一般會隨溫度變化,可以用公式(2)表示為,

式(2)中,α表示電阻溫度系數(shù),σ0表示室溫t0下的電阻率,陣列頂部和底部的字線(wl)或位線(bl)假設具有理想的散熱封裝結(jié)構(gòu),在計算中保持室溫為t0,如公式(3)所示:

t-t0|bc=0(3)

本發(fā)明中為了準確的計算出器件的溫度效應,電導模擬中采用三維電阻網(wǎng)絡模型,計算理論基于歐姆定律和基爾霍夫方程。通常難以精確地計算整個器件陣列的熱分布,但是可以針對陣列的局部(例如在晶圓上虛設單元中制造的測試結(jié)構(gòu)),選取陣列中某些特征化區(qū)域(特定的器件結(jié)構(gòu)),通過試驗測量值(局部區(qū)域溫度或熱成像譜線等)與理論計算值之間的關(guān)系修正后續(xù)過程,例如通過試驗數(shù)據(jù)反饋修改以提高精確度、改變未來設計的實際陣列結(jié)構(gòu)等。

步驟2:考慮三維集成阻變器件中熱的傳輸模式

圖1示出了三維集成rramcrossbar陣列中幾種可能的熱傳導路徑(白色箭頭所示)。單個rram器件產(chǎn)熱,熱量可以在同一層的器件之間通過隔離介質(zhì)材料傳遞,也可以在不同層rram器件之間沿 豎直方向傳遞,或者在相鄰單元之間傳遞。此外rram器件的字線位線一般具有較高的導熱能力,字線位線的熱傳導作用同樣會十分顯著。具體的,通過對器件結(jié)構(gòu)的分析,特別是基于不同熱傳輸模式對應的熱分布以及后續(xù)相應的熱串擾影響,設定(也即在下一批次rram陣列制造中選用)合適的熱傳輸模式及其對應的rram與二極管的疊置結(jié)構(gòu)

步驟3:選擇合適的三維集成陣列

根據(jù)熱傳輸模型計算(或模擬)當前器件(rram陣列)相應的熱分布,選擇合適的陣列結(jié)構(gòu)以用于后續(xù)熱串擾的評估。并且后續(xù)可以根據(jù)評估結(jié)果,反饋修改下一批次產(chǎn)品設計中陣列結(jié)構(gòu)。

圖2示出了本發(fā)明所采用的器件結(jié)構(gòu)示意圖,其結(jié)構(gòu)為1d1r(d表示二極管,r表示一個阻變存儲單元)的crossbar陣列結(jié)構(gòu)。器件單元由一個阻變存儲單元(rram),電極和一個二極管(diode)串聯(lián)組成,如圖2(b)所示。圖2中同一層的結(jié)構(gòu)為(圖b):a(rram-電極-二極管),其層與層之間都是按照這種結(jié)構(gòu)進行排布(即:a-a-a-a;其他的排布方式還有:a-b-a-b,b的結(jié)構(gòu)為二極管-電極-rram,或a-b-b-a等)。

步驟4:分析三維集成阻變器件中編程器件集成度對溫度的影響

基于步驟2所示的熱傳導路徑,結(jié)合步驟1中的公式可以計算出三維集成阻變器件的熱分布狀況。當程器件的集成度越高時,rram器件在編程操作中,溫度上升越快;另外,由于電極部分與導電細絲直接相連,規(guī)模較大的陣列,電極部分溫度上升更快。溫度與器件集成度具有一定的關(guān)系,雖然難以采用具體函數(shù)關(guān)系(也即給出完整的方程),但是可以通過針對局部結(jié)構(gòu)的多次試驗測試與理論計算值進行擬合。

首先根據(jù)步驟3的器件結(jié)構(gòu)特性,分別建立的3×3×1,3×3×2,3×3×3的crossbar結(jié)構(gòu)的rram,器件的特征尺寸為100nm至30nm。。然后利用步驟1所述的公式及方法,并使用表一列出的基本物理參數(shù)進行三維集成阻變器件熱效應的分析。其中,值得特別注意的是,器件尺寸對于溫度分布具有明顯的影響,例如器件尺寸減小 會導致溫度分布發(fā)生顯著變化(例如增大,平方或立方地增大,指數(shù)增大等)。

表一模擬計算所用物理參數(shù)

表中r為半徑,h為厚度,kth表示熱導,c為熱容,σ0表示室溫下的參考電導率,w表示寬度,下標cf,diode和line分別代表導電細絲(cf),二極管(diode)和字線/位線(wl/bl)單元。v表示reset電壓,t0為室溫。表一中kth_diiode和σ0_diiode列出兩個值,分別對應二極管正向?qū)顟B(tài)和反向關(guān)斷狀態(tài)下的參數(shù)取值。

不同集成度的三維集成阻變存儲器的熱分布計算所得的結(jié)果,如圖4及圖5所示。圖4為編程器件位于集成陣列的中間的情況下,系統(tǒng)的溫度分布變化。圖5為編程rram器件的最高溫度隨時間的變化。從圖4和圖5可以看出,rram器件編程操作中,溫度急劇上升,由于電極部分與導電細絲直接相連,電極部分溫度上升很快,并且規(guī)模較大的陣列具有更高的溫度。

步驟5:評估三維集成阻變器件中的耐久性特性

隨著三維集成阻變器件的尺寸減小,在小尺寸下,電極部分的性能退化過程與單極性rram器件導電細絲低阻態(tài)保持特性退化過程 比較類似。本發(fā)明采用一種簡單的方法對陣列系統(tǒng)的endurance性能nendurance進行評估。通過聯(lián)系rram的reset時間treset以及t=50ns時刻電極部分中的瞬態(tài)溫度,nendurance可以表示為,

式中,tlliifetiime表示電極的壽命,基于arrhenius定律:tlliifetiime∝e(qea/ktp),q表示基元電荷量,k為波爾茲曼常數(shù),ea為金屬原子在周圍隔離材料中熱擴散的激活能。ea越大,金屬原子越難遷移,電極部分也會具有更好的壽命特性;另外,本發(fā)明中假設ea=1..5ev,t=400k情況下電極部分壽命為10年。

步驟6:改善三維集成阻變器件中endurance的方法

通過上述步驟1,2,3,4,5對于三維集成阻變存儲器的熱效應及電極材料壽命的分析,本發(fā)明提出了可以通過采用具有較大的金屬原子在周圍隔離材料中熱擴散的激活能來提高三維集成阻變器件中endurance特性的方法。

例如,根據(jù)步驟5所述的評估三維集成阻變器件中的endurance特性的方法,評估所得三種不同集成度的陣列系統(tǒng)的endurance性能與ea的依賴關(guān)系。結(jié)果表明,隨著ea增大大,陣列的endurance性能顯著提升,以3×3×3陣列為例,當ea從1..5ev增大至3ev時,陣列的endurance特性可以從107次提升到1017次,提升了1010倍,結(jié)果如圖6所示。因此,使用的電極部分具有高金屬遷移激活能的介質(zhì)材料進行隔離可以顯著增加rram陣列的endurance次數(shù)。高金屬遷移激活能的介質(zhì)材料(依照ea大小,如al>ni>ag、cu、pd>pt、au,阻變存儲器中的電極材料都是金屬,對應的介質(zhì)材料是這些材料的氧化物),不會帶來寄生效應,因此選用的電極一般為pt、ag、cu、au等,使得電極材料不會影響ea。

依照本發(fā)明的方法,考慮三維集成阻變器件中熱的傳輸模式,選擇合適的三維集成陣列,分析三維集成阻變器件中集成度對器件溫度的影響,評估三維集成阻變器件中的耐久性特性,改善三維集成阻變器件中耐久性特性的方法。

盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對器件結(jié)構(gòu)或方法流程做出各種合適的改變和等價方式。此外,由所公開的教導可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此,本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例,而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例。

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