基于二元金属氧化物的自整流阻变存储器及其物理机制研究

Resistive random access memory (RRAM) based crossbar structure has attracted significant interests in recent years due to the simple structure, small cell size of 4F2 (F equals to the minimum feature size), ease to 3D high-density integration. The RRAM based crossbar structure generally has a problem in reading the correct information in a designated cell, called the sneak current issue. For the key issue, this project will propose a stable self-rectifying binary metal oxide-based RRAM and develop the optimum method to enhance the device performance. To obtain high performance self-rectifying RRAM devices with large current density, high rectification ratio, high stability and reliability, for RRAM crossbar array application, this project will systemically study the devices from materials selection, device fabrication, performance optimization, and physical mechanism. The successful implementation of this project has important innovativeness and usability and also can provide important guidelines for the realization of stable 3D-RRAM crossbar array for high-density storage, which is expected to get varieties of intellectual property in RRAM area.

基于阻变存储器的交叉阵列由于其结构简单、能够做到最小的存储单元面积4F2（F为每个工艺技术代的特征线宽）、易于三维高密度集成，在近年来引起了广泛关注。本课题针对阻变存储交叉阵列中存在的串扰问题，结合目前该领域的研究现状和项目组已有的研究基础，拟重点开展高性能自整流阻变存储器件的研究。从材料选择、器件制备、性能优化、物理机制四个方面出发，阐明自整流阻变存储器件的内在物理机制，研制出整流比大、电流密度高、均匀性、稳定性和可靠性俱佳的高性能自整流阻变存储器件, 从而有效抑制基于简单1R 结构阻变存储交叉阵列中的串扰问题，为实现阻变存储器三维高密度集成奠定基础，从而推动我国存储器技术的发展。

基于阻变存储器的交叉阵列由于其结构简单、能够做到最小的存储单元面积4F2（F为每个工艺技术代的特征线宽）、易于三维高密度集成，在近年来引起了广泛关注。本课题针对阻变存储交叉阵列中存在的串扰问题，以具有自整流特性的 RRAM 器件作为主要研究对象，重点开展基于二元金属氧化物材料的高性能自整流 RRAM 器件的研究。从材料选择、器件制备、性能优化、物理机制四个方面出发，阐明自整流阻变存储器件的内在物理机制，研制出整流比大、电流密度高、均匀性、稳定性和可靠性俱佳的高性能自整流阻变存储器件。选取与CMOS工艺兼容的ZrO2材料作为阻变存储层，选取与CMOS工艺兼容、成本低廉的金属Al作为电极材料，制备了具有Al/ZrO2:Cu:ZrO2/Al结构的的存储单元。该结构器件所选取的材料与CMOS工艺完全兼容，器件具有低成本的优势。基于HfO2材料制备了Ag/HfO2/Au结构的阻变存储单元。研究发现，该结构器件在实现由高阻态向低阻态转变的过程中（Set过程），能够获得不同的低阻态，并且不同的低阻状态具有好的可重复性、稳定的保持特性，进而能够实现多值存储特性，提高存储密度。.此外，基于ZrO2和TiOx材料制备了具有Ag/ZrO2/TiOx/Ti双层结构的RRAM存储单元，该结构器件能够实现自整流的挥发性电阻转变特性，其电阻转变特性具有很好的一致性，并且整流比高达109，电流密度超过103A/cm2。本项目的实施为阻变存储器实现高密度存储积累了实验数据。