电阻随机存储器三维集成技术研究

针对非挥发性存储器发展趋势及实际应用需要，本课题集中研究电阻随机存储器三维集成技术。主要研究内容包括：（1）基于三维集成需要遴选阻变存储器件（RRAM）材料，优化材料组分，制备、改进并稳定材料沉积控制技术。（2）提出新型RRAM器件结构，设计模拟三维集成RRAM电路等新型存储技术，探索适宜三维叠层集成的RRAM存储器件结构和选择晶体管器件结构，研究三维集成中多层堆叠的工艺控制，建立RRAM器件理论模型和可靠性评测方法。（3）通过对存储器件结构及操作原理、三维集成存储技术以及存储电路等方面的融合性研究，研究具有多位纠错能力的ECC算法和自纠错电路，开发面向三维集成的存储器电路系统架构技术。基于新存储单元构建电路系统，设计新型存储器验证电路。探索符合低压低功耗发展趋势的新一代非挥发性电阻随机存储器关键技术。

为了提高存储器的集成密度，器件尺寸不断缩小，多值存储技术获得越来越广泛的应用，3D堆叠技术也逐渐成为研究热点。阻变存储器（RRAM）及其三维集成的新型存储器由于简单的器件结构、紧凑的存储阵列、优良的存储性能和与现有CMOS工艺的高兼容度，成为最具潜力的解决方案之一。本项目针对现有高密度非挥发存储技术中尚未解决的问题，开展了适合于三维集成的阻变介质的材料筛选、器件结构及存储性能、多值特性和三维集成技术等多方面的研究工作。.通过遴选出适用于高密度三维阻变存储器件的存储介质薄膜材料，优化制备工艺，研究制备了基于金属氧化物材料及石墨烯氧化物等RRAM器件，分析其阻变存储特性、物理机制和可靠性等，并综合比较优选出以HfO2为基础的阻变材料体系。提出了一种混合导电细丝模型，较好地解释了辐照引起的存储性能退化现象。.针对RRAM器件的多值存储性能，一方面，提出了一种优化的电压-电流综合调节的操作方法来增大存储窗口并提高存储数据的可靠性；另一方面从材料和器件的角度，探索了叠层结构对多值存储性能的改善，同时建立了RRAM器件中导电细丝的微观模型，并利用仿真软件对这一模型进行了模拟分析，从而指导多值存储器件的优化设计。.围绕三维存储技术，分别对交叉点阵结构和垂直环栅结构的器件进行了研究。在交叉点阵结构的三维存储器研究中，设计了一种新型的高性能选择开关器件及其存储阵列架构和操作方法，研究了选择器件与阻变介质薄膜在三维集成中的工艺制备技术。在垂直的环栅型三维存储器研究中，实验分析了多层环栅器件的存储性能，并从存储阵列、操作方法、外围电路等多方面，初步探索了新型环栅器件在三维高密度阻变存储器应用中的实现方案。