改善三维集成阻变存储器耐久性的方法技术

本发明专利技术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。依照本发明专利技术的方法，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。

Method for improving durability of three-dimensional integrated resistive memory

The invention relates to a method for improving 3D Integrated RRAM durability, a method for improving the durability of 3D RRAM array comprises: Step 1, the temperature distribution in the array is calculated by Fu Liye 3D heat conduction equation; step 2, select the heat transfer mode; step 3, choose array structure to choose the right steps; 4, analysis of the array integration for the influence of temperature; step 5, to assess the durability in the array device; step 6, according to the evaluation results to improve the durability of the array parameter change. According to the method of the invention, transmission mode considering three-dimensional integrated resistive devices heat, choose appropriate three-dimensional integrated array analysis, three-dimensional integrated resistive devices integrated on the temperature effect, to assess the durability properties of 3D Integrated resistive devices and methods to improve the three-dimensional integrated resistance durability characteristics of devices the.

【技术实现步骤摘要】
改善三维集成阻变存储器耐久性的方法
本专利技术属于微电子器件及存储器
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
由上所述，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术提供了一种方法，用于改善3DRRAM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kth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treset以及t＝50ns时刻电极部分中的瞬态温度，耐久性的度量nendurance可以表示为，式中，tlliifetiime表示电极的寿命，基于Arrhenius定律：tlliifetiime∝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。依照本专利技术的方法，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专利技术的技术方案，其中：图1示出了本专利技术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)为本专利技术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Ea的依赖关系。图7为依照本专利技术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专利技术技术方案的特征及其技术效果，公开了能有效改善3DRRAM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，kth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)本专利技术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RRAMcrossbar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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2015.12.24 CN 201510983165X1.一种方法，用于改善3DRRAM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其中kth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：3.根据权利要求1的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢年端，孙鹏霄，李泠，刘明，刘琦，吕杭炳，龙世兵，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11