掺杂提高二元金属氧化物电致电阻转变性能的作用机理研究

阻变存储器具有在32nm节点及以下取代现有主流闪存的潜力。本项目组在国际上较早提出在阻变薄膜内掺入杂质可提高阻变存储器的性能，基于这一创新思想，本项目将进一步研究掺杂提高二元金属氧化物阻变性能的机理和分类。主要研究内容包括：兼容CMOS工艺的二元金属氧化物材料的制备和优化以及掺杂实现方法；掺杂元素、掺杂方式、掺杂位置、掺杂浓度及退火等后处理工艺对阻变特性（编程/擦除（P/E）电压、P/E速度、工作电流、数据保持能力、耐受性、均匀性）的影响；借助先进的材料物性表征分析方法，结合阻变功能层的体效应和界面效应等物理效应的研究，探索与各种因素相应的电阻转变机理，从而明确掺杂的分类，并研究清楚掺杂提高二元金属氧化物阻变性能的机理，为优化RRAM的设计提供理论指导。本项目具有很强的创新性和重要的实际意义，可在材料和存储器领域获得具有自主知识产权的核心技术，为我国存储器产业的可持续发展提供借鉴。

阻变存储器具有在32nm节点及以下取代现有主流闪存的潜力。本项目组在国际上较早提出在阻变薄膜内掺入杂质可提高阻变存储器的性能，基于这一创新思想，本项目进一步研究了掺杂提高二元金属氧化物阻变性能的机理。系统开展了ZrO2、HfO2等各种二元金属氧化物材料的电阻转变特性及其RRAM器件中的应用，获得了良好的存储特性。系统开展了多种基于掺杂的二元金属氧化物材料的RRAM单元器件研究，获得了良好的存储特性。通过对阻变功能层进行掺杂、选用合适的电极材料、在下电极上引入纳米晶控制导电细丝的定位生长、采用电子束光刻制备小尺寸器件等方法提高了器件的性能，总结了材料、掺杂、工艺等因素与器件阻变参数之间的关系。开展了RRAM的操作方法的研究，包括电流扫描编程操作方法、低恒定电压或电流forming操作方法，提高了RRAM的器件性能和稳定性。开展了RRAM和晶体管构成的1T1R集成结构的研究，得到了较1R结构更好的阻变和存储性能；开展了自整流RRAM器件研究，并将其应用于交叉线结构的一次编程多次读取器件（WORM）。深入研究了电阻转变的微观机理，采用TEM和EDX研究了细丝形成和断裂的微观动态过程，得到了细丝的形貌和成分，证实了多根细丝导电的机制，并根据这一机制创新性地提出了通过引入金属纳米晶来控制细丝生长的方法，从而进一步提高了RRAM的电阻转变和存储参数均匀性和稳定性。开展了RRAM可靠性研究，RRAM具有良好的抗辐照性能。系统研究了RESET过程中的不稳定性及其物理机制，为RRAM的操作优化提供了指导。积极开展国际合作，通过统计方法研究了过渡金属氧化物RRAM的物理机制并建立了电阻转变的统计模型，为优化其电阻存储器件性能的技术方案提供了理论指导。本项目组在国内外核心刊物和国际会议上已经发表SCI期刊论文44篇，其中SCI论文25篇，形成了良好的国际影响力。申请中国发明专利34项，其中1项已获得授权。本项目具有很强的创新性和重要的实际意义，RRAM的研究为目前面临严重挑战的以浮栅为主导的非挥发存储器提供了可能的解决方案，为国际竞争和合作提供技术保证。