CN106919729A - 改善三维集成阻变存储器耐久性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改善三维集成阻变存储器耐久性的方法，一种方法，用于改善3D RRAM阵列的耐久性，包括：步骤1，通过3D傅立叶热传导方程计算阵列中温度分布；步骤2，选择热传输模式；步骤3，选择合适的阵列结构；步骤4，分析阵列中集成度对于温度的影响；步骤5，评估阵列中器件的耐久性；步骤6，根据评估结果改变阵列参数以提高耐久性。依照本发明的方法，考虑三维集成阻变器件中热的传输模式，选择合适的三维集成阵列，分析三维集成阻变器件中集成度对器件温度的影响，评估三维集成阻变器件中的耐久性特性，改善三维集成阻变器件中耐久性特性的方法。

Description

改善三维集成阻变存储器耐久性的方法

技术领域

本发明属于微电子器件及存储器技术领域，尤其涉及一种改善三维集成阻变存储器的耐久性(endurance)的方法。

背景技术

器件在电压作用下工作时，由于焦耳热的作用将导致器件自身温度发生变化，因此，由焦耳热引起的热效应在半导体器件中是一种普遍现象。半导体器件中不同的材料受热后其膨胀系数不同，器件内部的热应力将分布不均。随着三维(3D)集成阻变存储器(RRAM)集成度的不断提高，存储单元数量急剧增加，这种由焦耳热引起的热效应将会变得更加严重。因此，随着集成度的不断增加，三维集成RRAM将面临最大的挑战是如何解决器件的热效应问题，而这种热效应现象伴随着器件特征尺寸的下降，热量分布对于RRAM器件的影响(如能耗，热稳定性等)变得尤为突出。特别是随着存储单元密度的不断提升，相邻单元之间的距离不断减小，邻近单元的热串扰将严重制约着三维集成RRAM的发展和应用。

关于三维集成阻变存储器，目前国内外许多研究小组都投入了大量的精力进行研究且取得了不错的研究成果，但是，由于实验测量阻变存储器三维集成中的热效应难度大，目前常规的热分析手段难以胜任，因此关于三维阻变存储器在焦耳热效应作用下的endurance特性的研究鲜有报道，相关的技术手段还有待于深入的研究。

发明内容

由上所述，本发明的目的在于针对目前三维集成阻变存储器的热效应研究的不足，本发明主要目的在于提供一种改善三维集成阻变存储器的耐久性的方法。

为此，本发明提供了一种方法，用于改善3D RRAM阵列的耐久性，包括步骤：

步骤1，通过3D傅立叶热传导方程计算阵列中温度分布；

步骤2，选择热传输模式；

步骤3，选择合适的阵列结构；

步骤4，分析阵列中集成度对于温度的影响；

步骤5，评估阵列中器件的耐久性；

步骤6，根据评估结果改变阵列参数以提高耐久性。

其中，步骤1中3D傅立叶热传导方程为

其中k_th表示热导,T表示温度,c表示热容,ρ表示材料质量密度,t表示时间,σ表示材料的电导；优选地，材料的电导随温度变化，如以下公式(2)所示，

式(2)中，α表示电阻温度系数，σ₀表示室温T₀下的电阻率；进一步优选地，阵列顶部和底部的字线(WL)或位线(BL)具有理想的散热封装结构，阵列顶部和底部温度在计算中保持室温为T₀，如公式(3)所示：

T-T₀|_BC＝0 (3)

其中，热传输模式为(i)热量在同一层器件之间通过隔离介质材料传递，或(ii)在不同层RRAM器件之间沿竖直方向传递。

其中，阵列结构为由1个RRAM与1个二极管构成的器件单元所构成的3D阵列。

其中，步骤5中，利用步骤1所述的公式，并使用RRAM器件导电细丝、二极管、字线/位线的物理参数的集合进行三维集成阻变器件热效应的分析，其中物理参数选自以下组合的任一个或组合：半径，厚度，热导，热容，室温下参考电导率，宽度，复位电压，室温。

其中，步骤5中基于Arrhenius定律采用瞬态温度对电极寿命的影响进行衡量耐久性；优选地，通过联系RRAM的reset时间t_reset以及t＝50ns时刻电极部分中的瞬态温度，耐久性的度量n_endurance可以表示为，

式中，t_lliifetiime表示电极的寿命，基于Arrhenius定律：t_lliifetiime∝e^(qEa/kTp),q表示基元电荷量，k为波尔兹曼常数，Ea为金属原子在周围隔离材料中热扩散的激活能。

其中，步骤6包括，采用高金属迁移激活能的介质材料隔离电极部分。

依照本发明的方法，考虑三维集成阻变器件中热的传输模式，选择合适的三维集成阵列，分析三维集成阻变器件中集成度对器件温度的影响，评估三维集成阻变器件中的耐久性特性，改善三维集成阻变器件中耐久性特性的方法。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1示出了本发明提供的三维集成交叉阵列中可能的热传导路径(白色箭头)示意图。

图2(a)为本发明采用的三维集成阻变存储器器件结构示意图，图2(b)为单个器件单元由一个阻变存储单元(RRAM)，由电极和一个二极管(Diode)串联组成。

图3为三种不同集成度的三维集成阻变存储器结构示意图：(a)3×3×1，(b)3×3×2，(c)3×3×3。

图4(a)-(c)为选用的阵列结构示意图；(d)-(f)为编程器件的温度动态变化，其中阵列大小分别为(a)3×3×1、(b)3×3×2、(c)3×3×3；进行编程操作的RRAM和浅色的二极管相连，未进行编程的RRAM和深色二极管相连，浅色字线/位线上施加电压V，深色字线/位线接地。

图5示出了3×3×1、3×3×2、3×3×3三种不同阵列下，电极部分最高温度随时间的变化，与图4(a)-(c)相对应。

图6示出了计算所得3×3×1、3×3×2、3×3×3三种阵列大小下系统的endurance特性与E_a的依赖关系。

图7为依照本发明方法的示意性流程图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了能有效改善3D RRAM阵列耐久性的方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、次序或层级关系。

该方法包括以下步骤：

步骤1：通过三维傅里叶热传导方程计算集成阵列中的温度分布

RRAM三维集成阵列中温度的分布可以采用各种热传导模型及其对应的方程来描述，但是基于精确度考虑，最优地通过公式(1)所示的三维傅里叶热传导方程进行描述：

式(1)中，k_th表示热导,T表示温度,c表示热容,ρ表示材料质量密度,t表示时间,σ表示材料的电导。而材料的电导一般会随温度变化，可以用公式(2)表示为，

式(2)中，α表示电阻温度系数，σ₀表示室温T₀下的电阻率，阵列顶部和底部的字线(WL)或位线(BL)假设具有理想的散热封装结构，在计算中保持室温为T₀，如公式(3)所示：

T-T₀|_BC＝0 (3)

本发明中为了准确的计算出器件的温度效应，电导模拟中采用三维电阻网络模型，计算理论基于欧姆定律和基尔霍夫方程。通常难以精确地计算整个器件阵列的热分布，但是可以针对阵列的局部(例如在晶圆上虚设单元中制造的测试结构)，选取阵列中某些特征化区域(特定的器件结构)，通过试验测量值(局部区域温度或热成像谱线等)与理论计算值之间的关系修正后续过程，例如通过试验数据反馈修改以提高精确度、改变未来设计的实际阵列结构等。

步骤2：考虑三维集成阻变器件中热的传输模式

图1示出了三维集成RRAM crossbar阵列中几种可能的热传导路径(白色箭头所示)。单个RRAM器件产热，热量可以在同一层的器件之间通过隔离介质材料传递，也可以在不同层RRAM器件之间沿竖直方向传递，或者在相邻单元之间传递。此外RRAM器件的字线位线一般具有较高的导热能力，字线位线的热传导作用同样会十分显著。具体的，通过对器件结构的分析，特别是基于不同热传输模式对应的热分布以及后续相应的热串扰影响，设定(也即在下一批次RRAM阵列制造中选用)合适的热传输模式及其对应的RRAM与二极管的叠置结构

步骤3：选择合适的三维集成阵列

根据热传输模型计算(或模拟)当前器件(RRAM阵列)相应的热分布，选择合适的阵列结构以用于后续热串扰的评估。并且后续可以根据评估结果，反馈修改下一批次产品设计中阵列结构。

图2示出了本发明所采用的器件结构示意图，其结构为1D1R(D表示二极管，R表示一个阻变存储单元)的crossbar阵列结构。器件单元由一个阻变存储单元(RRAM)，电极和一个二极管(Diode)串联组成，如图2(b)所示。图2中同一层的结构为(图b):A(RRAM-电极-二极管)，其层与层之间都是按照这种结构进行排布(即：A-A-A-A；其他的排布方式还有：A-B-A-B,B的结构为二极管-电极-RRAM,或A-B-B-A等)。

步骤4：分析三维集成阻变器件中编程器件集成度对温度的影响

基于步骤2所示的热传导路径，结合步骤1中的公式可以计算出三维集成阻变器件的热分布状况。当程器件的集成度越高时，RRAM器件在编程操作中，温度上升越快；另外，由于电极部分与导电细丝直接相连，规模较大的阵列，电极部分温度上升更快。温度与器件集成度具有一定的关系，虽然难以采用具体函数关系(也即给出完整的方程)，但是可以通过针对局部结构的多次试验测试与理论计算值进行拟合。

首先根据步骤3的器件结构特性，分别建立的3×3×1，3×3×2，3×3×3的crossbar结构的RRAM，器件的特征尺寸为100nm至30nm。。然后利用步骤1所述的公式及方法，并使用表一列出的基本物理参数进行三维集成阻变器件热效应的分析。其中，值得特别注意的是，器件尺寸对于温度分布具有明显的影响，例如器件尺寸减小会导致温度分布发生显著变化(例如增大，平方或立方地增大，指数增大等)。

表一 模拟计算所用物理参数

表中r为半径，h为厚度，k_th表示热导，c为热容，σ₀表示室温下的参考电导率，w表示宽度，下标cf，diode和line分别代表导电细丝(CF)，二极管(Diode)和字线/位线(WL/BL)单元。V表示reset电压，T₀为室温。表一中k_{th_diiode}和σ_{0_diiode}列出两个值，分别对应二极管正向导通状态和反向关断状态下的参数取值。

不同集成度的三维集成阻变存储器的热分布计算所得的结果，如图4及图5所示。图4为编程器件位于集成阵列的中间的情况下，系统的温度分布变化。图5为编程RRAM器件的最高温度随时间的变化。从图4和图5可以看出，RRAM器件编程操作中，温度急剧上升，由于电极部分与导电细丝直接相连，电极部分温度上升很快，并且规模较大的阵列具有更高的温度。

步骤5：评估三维集成阻变器件中的耐久性特性

随着三维集成阻变器件的尺寸减小，在小尺寸下，电极部分的性能退化过程与单极性RRAM器件导电细丝低阻态保持特性退化过程比较类似。本发明采用一种简单的方法对阵列系统的endurance性能n_endurance进行评估。通过联系RRAM的reset时间t_reset以及t＝50ns时刻电极部分中的瞬态温度，n_endurance可以表示为，

式中，t_lliifetiime表示电极的寿命，基于Arrhenius定律：t_lliifetiime∝e^(qEa/kTp),q表示基元电荷量，k为波尔兹曼常数，Ea为金属原子在周围隔离材料中热扩散的激活能。Ea越大，金属原子越难迁移，电极部分也会具有更好的寿命特性；另外，本发明中假设Ea＝1..5eV，T＝400K情况下电极部分寿命为10年。

步骤6：改善三维集成阻变器件中endurance的方法

通过上述步骤1，2，3，4，5对于三维集成阻变存储器的热效应及电极材料寿命的分析，本发明提出了可以通过采用具有较大的金属原子在周围隔离材料中热扩散的激活能来提高三维集成阻变器件中endurance特性的方法。

例如，根据步骤5所述的评估三维集成阻变器件中的endurance特性的方法，评估所得三种不同集成度的阵列系统的endurance性能与Ea的依赖关系。结果表明，随着Ea增大大，阵列的endurance性能显著提升，以3×3×3阵列为例，当Ea从1..5eV增大至3eV时，阵列的endurance特性可以从10⁷次提升到10¹⁷次，提升了10¹⁰倍，结果如图6所示。因此，使用的电极部分具有高金属迁移激活能的介质材料进行隔离可以显著增加RRAM阵列的endurance次数。高金属迁移激活能的介质材料(依照Ea大小，如Al>Ni>Ag、Cu、Pd>Pt、Au，阻变存储器中的电极材料都是金属，对应的介质材料是这些材料的氧化物)，不会带来寄生效应，因此选用的电极一般为Pt、Ag、Cu、Au等，使得电极材料不会影响Ea。

依照本发明的方法，考虑三维集成阻变器件中热的传输模式，选择合适的三维集成阵列，分析三维集成阻变器件中集成度对器件温度的影响，评估三维集成阻变器件中的耐久性特性，改善三维集成阻变器件中耐久性特性的方法。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构或方法流程做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims (7)

1.一种方法，用于改善3D RRAM阵列的耐久性，包括步骤：

步骤1，通过3D傅立叶热传导方程计算阵列中温度分布；

步骤2，选择热传输模式；

步骤3，选择合适的阵列结构；

步骤4，分析阵列中集成度对于温度的影响；

步骤5，评估阵列中器件的耐久性；

步骤6，根据评估结果改变阵列参数以提高耐久性。

2.根据权利要求1的方法，其中，步骤1中3D傅立叶热传导方程为

$\▿k_{th}\▿T+\mathrm{\σ}|\▿V{|}^2-c\mathrm{\ρ}\frac{\∂T}{\∂t}=0---\left(1\right)$

其中k_th表示热导,T表示温度,c表示热容,ρ表示材料质量密度,t表示时间,σ表示材料的电导；优选地，材料的电导随温度变化，如以下公式(2)所示，

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{1+\mathrm{\α}(T-T_0)},---\left(2\right)$

式(2)中，α表示电阻温度系数，σ₀表示室温T₀下的电阻率；进一步优选地，阵列顶部和底部的字线(WL)或位线(BL)具有理想的散热封装结构，阵列顶部和底部温度在计算中保持室温为T₀，如公式(3)所示：

$T-T_0{|}_{BC}=0---\left(3\right)$

3.根据权利要求1的方法，其中，热传输模式为(i)热量在同一层器件之间通过隔离介质材料传递，或(ii)在不同层RRAM器件之间沿竖直方向传递。

4.根据权利要求1的方法，其中，阵列结构为由1个RRAM与1个二极管构成的器件单元所构成的3D阵列。

5.根据权利要求2的方法，其中，步骤5中，利用步骤1所述的公式，并使用RRAM器件导电细丝、二极管、字线/位线的物理参数的集合进行三维集成阻变器件热效应的分析，其中物理参数选自以下组合的任一个或组合：半径，厚度，热导，热容，室温下参考电导率，宽度，复位电压，室温。

6.根据权利要求1的方法，其中，步骤5中基于Arrhenius定律采用瞬态温度对电极寿命的影响进行衡量耐久性；优选地，通过联系RRAM的reset时间t_reset以及t＝50ns时刻电极部分中的瞬态温度，耐久性的度量n_endurance可以表示为，

$n_{endurance}=\frac{t_{lifetime}}{t_{reset}-50ns},---\left(4\right)$

式中，t_lliifetiime表示电极的寿命，基于Arrhenius定律：t_lliifetiime∝e^(qEa/kTp),q表示基元电荷量，k为波尔兹曼常数，Ea为金属原子在周围隔离材料中热扩散的激活能。

7.根据权利要求1的方法，其中，步骤6包括，采用高金属迁移激活能的介质材料隔离电极部分。