基于原位显微探测技术的阻变存储器微观机制研究

阻变随机存储器（RRAM）具有结构简单、高速、低功耗、易于3D集成等优势，是下一代高密度非易失性存储器的有力竞争者之一。然而，当前RRAM研究领域对于阻变现象的物理机理还不清晰，这主要是因为缺乏阻变行为中材料体系的微观结构变化信息，而如何通过微观表征手段获得最直接的实验证据一直是实验技术和方案设计上急需解决的难点问题。针对上述问题，本项目拟以二元氧化物薄膜材料构成的RRAM单元器件为研究对象，在制备高性能RRAM单元器件的基础上，利用透射电子显微技术结合在线的电学测试系统对RRAM器件在编程/擦除/保持过程中的材料微观结构演化过程进行实时监测和分析，以获得最直接的实验证据。通过，宏观电学特性与微观结构变化信息的有机结合，建立RRAM阻变行为的微观机制，并对器件性能的优化进行理论指导。本项目的成功实施将会为微纳电子器件的工作机制地研究和器件失效机理地分析提供一种新的研究方案和思路。

本项目的实施过程中紧密围绕申请书中的研究内容，针对RRAM研究领域中阻变物理机制不清晰的问题，开展了深入的研究工作，取得的主要进展包括以下几个方面。i) 通过掺杂改性、结构优化和界面调制等方法，优化了氧化物基RRAM器件性能，获得了几种性能优越的RRAM存储器件。ii) 提出了一种适用于原位TEM测试分析样品的制样方法，申请了相关发明专利并已授权，该方法被法国国家材料精细化和结构化研究中心(CEMES)的Claverie教授在其新书中原图引用。iii) 采用原位TEM测试分析方法，国际上首次获得了氧化物基RRAM中导电通路生长和破灭的动态过程，在此基础上建立了局域氧化还原反应的导电通路生长/破灭机制。该工作发表在2012年的Advanced Materials上，被选为内封面文章，目前已被SCI他引76次，并入选了ESI的高引用论文榜。惠普实验室的J. J. Yang研究员在Nat. Nanotechnol.上发表的综述文章中将这个工作作为RRAM机理研究的重要进展进行了四次引用和评述，并称：“能够在纳米分辨率下实时观测（电阻）转变过程中（材料）化学成分和结构（变化）信息的实验是非常有价值的”。iv）利用原位SEM、TEM和KPFM等测试方法，阐明了限流对导电通路微观结构的影响规律，以及导电通路微观结构与阻变模式的内在联系，该工作发表在2014年的Advanced Functional Material上，并被选为背封面文章。在这个项目的支持下，我们共发表SCI论文8篇，申请中国专利5项，其中授权1项，达到了项目申请书中的预期研究成果。