微電子所在阻變存儲器研究中取得新進展

　　近日，中科院微電子研究所納米加工與新器件集成技術研究室在阻變存儲器研究工作中取得進展，并被美國化學協會ACS Nano雜志在線報道（Controllable Growth of Nanoscale Conductive Filaments in Solid-Electrolyte-Based ReRAM by Using a Metal Nanocrystal Covered Bottom Electrode, Qi Liu, Shibing Long, Hangbing Lv, Wei Wang, Jiebin Niu, Zongliang Huo, Junning Chen, and Ming Liu, ACS Nano, published online, DOI: 10.1021/nn1017582）。

　　隨著電子科學技術的飛速發展，未來的存儲器應具有非揮發性、超高的存儲密度、超快的讀寫速度和更低的功耗。基于電荷存儲的傳統非揮發存儲器NOR/NAND Flash的尺寸縮小現已逼近其極限，難以滿足未來存儲器的高密度和高性能的要求。而基于二元氧化物材料的電阻式隨機存儲器（ReRAM）具有低廉的價格、簡單的結構、超高的密度、低功耗、高速和與CMOS工藝兼容的優點，受到廣泛的關注，有望成為新一代主流的非揮發性存儲器。

　　在電激勵下，二元氧化物中形成破滅局域的導電細絲是引起這類材料發生電阻轉變現象的主要物理機制。導電細絲可能由氧化物自身分解出來的氧空位組成，也可能由電極引入的金屬離子組成。但是，不管是哪種情況，導電細絲的生長過程都是隨機的，不易控制，因此造成ReRAM器件轉變參數的離散性較大。國際上大部分的研究小組都把目光集中在通過優化器件的材料體系來改善這類ReRAM器件轉變參數的均勻性，主要的方法有如下幾種：第一，優化ReRAM的功能層材料的晶格結構；第二，采用活性電極(如：Ti、TiN和Al等)代替傳統的惰性電極；第三，采用摻雜技術來改善器件的轉變特性；第四，在電極與功能層之間增加薄層金屬。但是，目前還很少有文獻報道通過控制細絲的形成過程來達到改善器件轉變特性的方法。

　　微電子所納米加工與新器件集成技術研究室劉明研究員領導的存儲器研究小組，提出了一種通過增強功能層薄膜中的局域電場來控制導電細絲的生長位置和方向的方法。通過控制導電細絲的生長過程，從本質上減小導電細絲生長的隨機性，從而減小ReRAM器件轉變參數離散性。基于TCAD的模擬結果，該課題組研究人員通過在下電極上生長金屬納米晶的方法來增強功能層薄膜中的局域電場。通過研究Ag/ZrO2/Cu NC/Pt原型器件的電阻轉變特性驗證了這種方法的有效性；通過TEM的分析手段，直接證明了納米晶可以控制導電細絲的生長位置和方向；通過TEM的能譜分析驗證了導電細絲的微觀構成，并建立了納米晶控制導電細絲生長的微觀機制。該研究成果投稿到ACS Nano雜志后，獲得了兩位審稿人的高度評價，并將刊登于2010年的第11期上。

　　此外，該研究小組的研究人員采用納米晶控制導電細絲生長的理論，并基于實際應用的前提下制備了與CMOS工藝完全兼容的Cu/ZrO2/Cu NC/Pt器件，發現這種結構的器件具有低功耗和多值存儲的特性，這部分研究工作也已被IEEE Electron Device Letter接收。

　　

　　(a) Ag/ZrO2/Cu NC/Pt器件的電阻轉變曲線，插圖為器件結構示意圖；(b) 導電細絲的TEM照片；(c)Ag和Cu元素的EDS線掃描強度，結果顯示Ag導電細絲生長在Cu納米晶上；(d)電場分布模擬；(e)納米晶誘導細絲生長的示意圖。