超高密度存储器三维集成关键技术研究

As the CMOS technology scales to sub-22 nm node, the conventional Si-based Floating gate memory will encounter severe theoretical and technical limitation. 3D memory technology is thought as a critical method to realize Tera bit storage. Due to the simple structure, ease to 3D integration, RRAM has been received extensive attention from the world-wide researchers. For the key 3D integration technology, this project will focus on the investigation of high-performance selector, low power RRAM device, design and optimization of multi-stack/vertical cross-bar array, reliability issue of 3D high density storage. From the point of array size, statistic power consumption, scalability, figure out the device suitable to 3D integration on the base of optimization of performance; Analyze the difference of 2D memory from the 3D array; Propose some design rules for 3D array fabrication; Solve the integration issue of selector on the vertical cross bar array, uniformity issue of 3D array; Realize two layers of 8x8 memory array.

在制造工艺微缩到22nm技术代后，传统硅基浮栅存储技术将面临一系列技术限制和理论极限，三维存储技术被认为是未来实现Tera bit存储的关键途径。阻变存储器由于其结构简单、易于三维集成而引起了广泛关注。本课题针对RRAM三维集成关键技术，结合目前该领域的研究现状和项目组已有的研究基础，拟重点开展高性能选通管、低功耗高稳定阻变器件、堆叠结构（垂直交叉阵列结构）的设计与优化、三维高密度存储可靠性等研究。在优化器件性能的基础上，从阵列尺寸、静态功耗、可微缩性等方面综合评估各类选通器件，优选出适合于三维集成的单元结构；分析二维存储阵列结构与三维存储阵列结构的异同，提出从二维结构发展为三维结构时，存储阵列的设计规则；解决垂直交叉阵列结构中选通管的集成与阵列均匀性问题，实现具有两层以上8x8存储阵列的三维集成。

半导体存储器是集成电路的基础，有着巨大的消费市场。阻变存储器（RRAM）由于其结构简单、易于三维集成等优点受到青睐。当前国际上认为RRAM在超高密度存储领域有望获得突破，而三维集成技术是实现超高密度存储的必然选择。本项目围绕阻变机理、器件结构、三维集成、阵列应用等方面开展了系统研究。主要成果包括：1)阐明了不同材料阻变器件的阻变物理机制，建立了多物理效应耦合的原子级蒙特卡洛模拟器和物理基简约模型，指导阻变材料和操作方案的优化选择；2）提出了基于金属掺杂氧化物阈值转变特性的高性能选通器件设计方法，以及采用阻变功能层与低漏电阈值转变层结合思想制备了自选通阻变器件，解决了高密度交叉阵列结构中漏电串扰的关键问题。3) 揭示了三维阵列架构中层间漏电的起源，提出了自对准集成选通器件的三维集成新架构，在国际上首次实现8层三维RRAM集成。4) 阐明了三维RRAM阵列中器件编程与可靠性对阵列尺寸、脉冲参数的依赖关系，提出一种提升三维阵列整体性能的新型阵列结构模式。5）提出了一种基于RRAM三维阵列的神经突触器件设计实现方法，利用RRAM阵列实现灰度图像识别的神经网络系统，实现计算与存储的融合功能。上述工作为RRAM器件应用于下一代高密度存储芯片的研制提供了重要的技术来源与科学依据，分别与华为、中芯国际、长江存储、华力、国网智芯、联想核芯等公司签订了合作协议，共同开发基于RRAM核心的自主产权芯片，促进了自主知识产权新型存储技术的转移转化，为国家未来存储产业的升级奠定了科学与技术基础。.基于上述研究成果，项目组共发表文章60篇，其中包括Advanced Material, IEEE Electron Device Letters和IEEE Transactions on Electron Devices 15篇，在被誉为微电子领域奥林匹克盛会的International Electron Device Meeting (IEDM)与Symposia on VLSI Technology and Circuits上发表论文15篇。相关工作被写入国际半导体技发展路线图（ITRS）中。项目执行期间，项目负责人获得了2016年度国家自然科学二等奖一项，2014年度北京科学技术进步奖二等奖一项，何梁何利科技进步奖一项，中国科学院杰出科技成就奖一项。