随机氧空位模型解释RRAM单元变异性

摘要

阻变随机存取存储器（RRAM）单元的变异性是开发高密度RRAM阵列的关键挑战之一。虽然不同过渡金属氧化物薄膜阻变切换时变异性来源各异，但随机氧空位生成/复合普遍被认为是主要原因。通过分析实验数据，建立了一个将后续切换特性与接触式RRAM单元初始状态联系起来的随机模型。结合传导网络模型和陷阱辅助隧穿机制，利用蒙特卡洛模拟展示了RRAM介质膜中本征氧空位浓度和分布的影响。接触式RRAM阵列测量数据与基于随机分布本征空位的模型预测特性吻合良好。验证了形成特性与初始状态的强相关性，将形成行为与预形成氧空位联系起来。本研究全面理解了接触式RRAM器件变异性来源，并提出一种复位训练方案以降低后续RRAM状态的变异行为。

研究背景

电阻式随机存取存储器（RRAM）因其低功耗、高编程/擦除速度、与CMOS逻辑工艺优异兼容性等优势，被视为有前景的非易失性数据存储方案。然而，要在当前最先进CMOS电路中轻松实现RRAM存储阵列，仍有许多障碍。大规模RRAM阵列的关键挑战之一在于单元间和单元内的变异。许多模型和模拟被提出描述过渡金属氧化物（TMO）薄膜中氧空位（Vo-）随机生成/复合过程。Kim和Brivio提出随机断路器网络模型模拟单极性和双极性RRAM典型电特性。但这些研究中电阻均设为常数，未考虑RRAM薄膜电子传输。此外，现有模型从单器件层面讨论RRAM随机过程而非统计分析，未充分解决和讨论RRAM阵列中行为变异性。再者，制造过程中介质薄膜缺陷的存在已被广泛研究多年，但其对RRAM阻变切换特性的影响仍需全面分析以应用于大规模存储宏单元。为研究本征Vo-分布对RRAM特性影响，本研究基于陷阱辅助隧穿机制建立电阻网络模型，进一步统计分析操作过程中的变异。通过蒙特卡洛方法模拟Vo-随机生成过程，建立RRAM初始状态与后续形成特性的相关性。通过验证接触式RRAM阵列测量数据，建立本征Vo-与形成电压的强相关性。最后，全面投影和研究因本征Vo-分布导致的不同导电丝（CF）生成和形成操作后电阻状态变异。此外，提出并演示一种缓解预形成Vo-对变异性影响的解决方案。

实验方法

用于统计分析变异性的测量数据收集自采用28 nm CMOS逻辑工艺制备的16×16接触式RRAM（CRRAM）阵列，CRRAM制备工艺见图1。前端工艺完成晶体管形成后，先沉积电阻保护氧化层（RPO）和层间介质（ILD）。为构建功能性阻变切换薄膜，进行适当接触孔尺寸设计，接触尺寸30 nm×30 nm，防止W插塞与n+扩散区短路。最后依次沉积阻挡层、TiN和钨插塞。CRRAM截面TEM图像见图2a。图中显示CRRAM与n沟道选择晶体管串联。采用1T1R结构确保阵列中正确选择并防止过冲。图2b显示CRRAM成分映射。其过渡金属氧化物（TMO）层厚9 nm，由TiN/TiON/SiO₂堆叠组成，夹在顶部钨插塞和底部硅电极之间。器件制备后，本研究电学分析和物理模型构建分别由Agilent 4156C半导体参数分析仪和MATLAB软件平台完成。

前人研究报道CRRAM阵列初始状态呈宽分布。为探究初始状态变异起源，首先比较不同初始电阻单元的TMO层厚度（图3）。数据表明初始电阻差异大的两个单元厚度无显著差异。许多研究报道制造过程中Vo-在介质或RRAM薄膜中生成，暗示Vo-数量和密度差异可能导致初始电导率变异。