微電子所在阻變存儲器微觀機制研究中取得系列進展

　　日前，中科院微電子研究所納米加工與新器件集成技術研究室（三室）在阻變存儲器微觀機制研究中取得系列進展。

　　阻變隨機存儲器(RRAM)具有結構簡單、高速、低功耗、易于3D集成等優勢，是下一代高密度非易失性存儲器的有力競爭者之一。然而，阻變機制的不清晰阻礙了RRAM的快速發展。從最基本的微觀層面探討和研究RRAM的微觀物理機制，獲得RRAM電學特性與材料微觀結構之間的內在聯系，對于控制和提高器件的存儲特性具有重要的指導作用，也有助于器件失效模型的建立和分析。而如何通過微觀表征手段獲得阻變過程中伴隨的微觀結構變化信息，一直是實驗技術和方案設計上急需解決的難點問題。

　　微電子所劉明研究員領導的課題組針對CMOS工藝兼容性好的二元金屬氧化物基RRAM，在器件的性能優化、集成技術及阻變機制等方面開展了系統的研究工作，取得了一些重要進展。針對阻變機制的研究，該課題組以ZrO2材料為模板，通過對Cu/ZrO2/Pt器件的高、低阻態的變溫測試分析，發現低阻態時器件的溫度系數與Cu納米線的溫度系數相仿，證明了Cu導電細絲的形成和破滅是導致器件發生電阻轉變的主要機制(APL, 93, 223506, 2008)；通過降低電壓掃描速度在器件轉變過程中捕獲到臺階化的電流變化，證明了多根導電細絲參與了電阻轉變過程，建立了基于多根導電細絲的阻變模型(APL, 95, 023501, 2009)；通過TEM分析手段，在導通態樣品中成功捕獲到導電細絲，直接證明了這種由活性電極金屬構成的多根導電細絲的轉變機制，并通過電場調節成功控制導電細絲的生長位置和方向，大大減小了由導電細絲生長的隨機性造成的器件參數離散(ACS Nano, 4, 6162, 2010)。

　　為了更深入地研究導電細絲形成和破滅的動力學機制，在上述工作的基礎上，該課題組與東南大學孫立濤教授合作開展了基于原位顯微探測技術的RRAM器件微觀機制的研究工作。通過TEM實時監測RRAM器件在電學激勵過程中材料的微觀結構變化，成功獲得了導電細絲生長和破滅的動態過程，如附圖所示。實驗觀測結果與傳統固態電解液理論預測的導電細絲生長過程相反，這主要是因為傳統理論模型中沒有考慮陽離子的固溶度與遷移率在不同固態電解液材料體系中的巨大差別。

　　該工作為深入理解氧化物固態電解液類型的RRAM的阻變微觀機制提供了堅實的實驗基礎，同時，該工作中提出的實驗方案也適用于其它體系的RRAM微觀機制的研究。

　　相關論文作為封面文章發表在Advanced Materials(24, 1844, 2012)上，并獲得審稿人的高度評價，被認為是“本領域的重要發現”。

　　上述研究工作得到了國家科技重大專項、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、中國高技術研究發展計劃（863計劃）和國家自然科學基金的支持。

　　論文鏈接

RRAM微觀機制研究工作

Adv. Mater.當期封面