日前，中科院微電子研究所納米加工與新器件集成技術(shù)研究室(三室)在阻變存儲(chǔ)器微觀機(jī)制研究中取得系列進(jìn)展。
阻變隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高速、低功耗、易于3D集成等優(yōu)勢(shì)，是下一代高密度非易失性存儲(chǔ)器的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。然而，阻變機(jī)制的不清晰阻礙了RRAM的快速發(fā)展。從最基本的微觀層面探討和研究RRAM的微觀物理機(jī)制，獲得RRAM電學(xué)特性與材料微觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)于控制和提高器件的存儲(chǔ)特性具有重要的指導(dǎo)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(jié)構(gòu)變化信息，一直是實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方案設(shè)計(jì)上急需解決的難點(diǎn)問題。
微電子所劉明研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組針對(duì)CMOS工藝兼容性好的二元金屬氧化物基RRAM，在器件的性能優(yōu)化、集成技術(shù)及阻變機(jī)制等方面開展了系統(tǒng)的研究工作，取得了一些重要進(jìn)展。針對(duì)阻變機(jī)制的研究，該課題組以ZrO2材料為模板，通過對(duì)Cu/ZrO2/Pt器件的高、低阻態(tài)的變溫測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)低阻態(tài)時(shí)器件的溫度系數(shù)與Cu納米線的溫度系數(shù)相仿，證明了Cu導(dǎo)電細(xì)絲的形成和破滅是導(dǎo)致器件發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變的主要機(jī)制(APL, 93, 223506, 2008);通過降低電壓掃描速度在器件轉(zhuǎn)變過程中捕獲到臺(tái)階化的電流變化，證明了多根導(dǎo)電細(xì)絲參與了電阻轉(zhuǎn)變過程，建立了基于多根導(dǎo)電細(xì)絲的阻變模型(APL, 95, 023501, 2009);通過TEM分析手段，在導(dǎo)通態(tài)樣品中成功捕獲到導(dǎo)電細(xì)絲，直接證明了這種由活性電極金屬構(gòu)成的多根導(dǎo)電細(xì)絲的轉(zhuǎn)變機(jī)制，并通過電場(chǎng)調(diào)節(jié)成功控制導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)位置和方向，大大減小了由導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)的隨機(jī)性造成的器件參數(shù)離散(ACS Nano, 4, 6162, 2010)。
為了更深入地研究導(dǎo)電細(xì)絲形成和破滅的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，在上述工作的基礎(chǔ)上，該課題組與東南大學(xué)孫立濤教授合作開展了基于原位顯微探測(cè)技術(shù)的RRAM器件微觀機(jī)制的研究工作。通過TEM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)RRAM器件在電學(xué)激勵(lì)過程中材料的微觀結(jié)構(gòu)變化，成功獲得了導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)和破滅的動(dòng)態(tài)過程，如附圖所示。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)固態(tài)電解液理論預(yù)測(cè)的導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)過程相反，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)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(tài)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(tài)電解液類型的RRAM的阻變微觀機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，同時(shí)，該工作中提出的實(shí)驗(yàn)方案也適用于其它體系的RRAM微觀機(jī)制的研究。
相關(guān)論文作為封面文章發(fā)表在Advanced Materials(24, 1844, 2012)上，并獲得審稿人的高度評(píng)價(jià)，被認(rèn)為是“本領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)”。
上述研究工作得到了國家科技重大專項(xiàng)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)、中國高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)和國家自然科學(xué)基金的支持。