氧化物电阻存储器多值存储的可靠性及失效机理研究

Multilevel memory technique is one of mainstream development trends for the oxide base RRAM and has attracted a lot of attention. One of challenges faced is poor retention characteristics of multilevel resistance states in oxide based RRAM, which limits the pratical application of multilevel oxide based RRAM devices. Meanwhile, the failure mechanism of reliability characteristics in oxide based RRAM is not understood clearly, limiting the improvement of reliability in oxide based RRAM. In this project, based on the previous study on the resistive switching mechanism and multilevel memory characteristics in oxide based RRAM, we will deeply study the various failure characteristics and their mechanisms of oxide RRAM, including the multilevel resistance state retention characteristic, endurance characteistic, and read and write disturb characteristics. We will develop the physical model of reliability in oxide based RRAM and propose the innovative ways to improve the reliability characteristics of oxide based RRAM.

氧化物电阻存储器（RRAM）多值存储技术是RRAM技术的主要发展方向之一，受到了人们的广泛重视。RRAM多值存储技术面临的主要挑战之一是氧化物RRAM多级电阻态之间的阻变可靠特性差，难以满足RRAM器件多值存储应用的需求；同时由于对RRAM多值存储可靠特性的失效机理缺乏深入了解，目前还没有形成有效改善和优化RRAM多值存储可靠特性的技术方法。本项目拟在前期对于氧化物RRAM阻变开关机制、多值存储特性等相关研究的基础上，系统研究氧化物RRAM多值存储的可靠特性（包括多级电阻态保持Retention特性、循环耐久力Endurance特性和读写干扰特性等）及其失效机理，并开展氧化物RRAM可靠特性失效的模型模拟研究和性能优化方法的创新性研究工作。

阻变存储器件（RRAM）具有高速度、低功耗、可多值存储、三维集成、CMOS工艺兼容性良好和优异可缩小特性等优点，在新一代非挥发随机存储、非挥发逻辑以及神经形态计算等领域具有广泛应用前景。多值存储是RRAM技术的主要发展方向之一。然而，氧化物RRAM多级电阻态的可靠性难以满足RRAM器件多值存储应用的需求，对多值存储可靠特性的失效机理缺乏深入了解，缺少有效改善和优化多值存储可靠特性的技术方法。本项目针对氧化物RRAM多值存储的可靠性关键问题，在氧化物RRAM的多值存储可靠性失效机制、模型和优化方法等方面开展创新研究。研究了电极、阻变层材料、界面和掺杂等对氧化物RRAM多值存储特性失效的影响，研究了氧空位缺陷导电通道形成和断裂引起的氧化物RRAM可靠特性失效的物理机制和物理起因。研究了表征和分析预测氧化物RRAM多值存储可靠特性的物理模型，并开展模拟研究。研究提出通过阻变材料结构设计、后期工艺处理以及操作模式优化，改善和提高氧化物RRAM多值存储可靠性能的技术方法。实现的氧化物RRAM阻变器件具有稳定的八级电阻态，电阻态室温下数据保持时间可超过10年，循环耐久力次数超过106。利用氧化物RRAM的多值存储特性，开展了RRAM器件在非挥发逻辑运算和神经形态器件的应用研究，实验演示了多值阻变器件的四进制加法功能和低功耗神经突触功能。在ACS Nano、IEEE Transactions on Electron Devices、 Applied Physics Letters等权威国际期刊和会议上发表论文16篇，申请国家发明专利8项。通过本项目的实施，加深了对氧化物RRAM多值存储可靠特性机制的理解，获得了氧化物RRAM多值存储可靠性优化的技术方法，为氧化物RRAM器件在高密度存储、非挥发逻辑、神经形态计算等领域的应用奠定基础。