新型非易失性半导体存储器件及电路研究-电路与系统专业论文.docx

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新型非易失性半导体存储器件及电路研究-电路与系统专业论文

摘要随着微电子技术的不断发展,半导体工艺也不断向更小尺寸推进。由于受到 器件性能要求的限制,目前主流的基于 MOS 结构的 Flash 非易失性存储器的可 缩小性受到限制。为了克服当前非易失性半导体存储技术发展所面临的困难,目 前国际上学术界和工业界的研究主要聚焦在两种有潜力和希望的下一代非易失 性存储技术上——阻变型非易失性存储技术和纳米晶浮栅结构的非易失性存储 技术。这里以寻找适合应用的新型非易失性半导体存储技术为目标,基于上述两 种新型非易失性存储技术作为研究对象,分别针对两个研究方向——对阻变型非 易失性存储器单元电路的结构设计和性能研究,和对纳米晶浮栅结构的非易失性 存储器件的结构和材料改进,展开了研究工作。阻变型非易失性存储技术(RRAM)的数据存取速度能与静态随机存储器(SRAM)相匹敌,而可实现的存储容量能赶上 NAND 型的 Flash 存储器件。并 且 RRAM 两端的器件结构简单,制备工艺兼容于传统的半导体加工技术,器件 的可缩小性良好,且相对于 CMOS 工艺的步骤更加简化,生产成本更低。阻变 型非易失性存储器相对于传统的半导体存储器表现出了很大的优势,非常适合工 业大批量生产。为了进一步确定阻变型非易失性存储器的擦写速度、器件功耗和 集成度等实用化的性能指标,本文以阻变型非易失性存储单元的电路结构设计为 着手点,并针对不同的存储阵列电路结构,分析存储单元的器件面积、延时和功 耗特性。使用 HSPICE 电学仿真软件,针对双极型和单极型两种不同的电阻转变 类型和不同的器件工艺尺寸,对阻变型非易失性存储单元电路的延时和功耗性能 进行了模拟,对仿真结果进行比较分析。确定了 1T1R 结构电路单元更适用于双 极型的阻变型非易失性存储器件,而 1D1R 结构电路单元只适用于单极型的阻变 型非易失性存储器件。同时,模拟结果为确定制备阻变型非易失性存储器的性能 指标提供了参考。在对纳米晶浮栅结构非易失性存储器的研究中,从器件结构和能带的角度出 发分析了提高存储器件性能的可能途径。建立了纳米晶浮栅结构的存储模型,并 在模型中考虑了量子限制效应对纳米晶存储性能的影响。基于模型计算,分析了 纳米晶材料、high-κ 隧穿介质材料和厚度对纳米晶浮栅结构存储性能的影响。分I析结果表明,金属纳米晶比半导体纳米晶具有更好的数据保持特性,引入 high-κ介质可以很大程度提高浮栅结构的存储性能。higk-κ 介质较低的能带势垒高度有 利于加快数据擦写速度,缩短存储操作的编程工作时间,降低擦写操作的工作电 压;higk-κ 介质数倍于 SiO2 材料的介电常数,保证了相同等效氧化层 EOT 厚度 的 higk-κ 介质可以提供数倍于 SiO2 材料的物理厚度,有利于提供更好的数据保 持特性。同时,本文通过电子束蒸发加快速热退火成晶的方法,在 higk-κ 介质材 料上制备 Au 金属纳米晶材料,制作了 MIS 结构(Si/ZrO2/Au Ncs/SiO2/Al)的存 储单元,针对该存储单元的电荷存储能力和电荷保持特性进行测试,并对测试结 果进行分析。实验数据验证了上面的存储模型和分析结论;表明结合金属纳米晶 材料和 high-κ 隧穿介质的方法,可以大幅度提高纳米晶浮栅结构非易失性存储器 的综合存储性能。关键词:非易失性半导体存储器,电阻转变特性,存储单元结构,纳米晶浮栅,higk-κ 介质IIAbstractFlash memories are the dominant and mainstream devices in current nonvolatile semiconductor memory market. However, with the scaling of microelectronics technology, Flash memory, which is based on the traditional floating gate concept, has encountered serious technical challenges due to the tradeoffs between the high speed, low power operation and long time retention. Under this circumstance, there are mainly two trends in searching for the next generation nonvolatile memory devices in industry and academe. One is the revolution way to utilize totally different stor

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