自选通阻变存储器的机理及失效机制研究

In evolutionary computing system, the storage class memory (SCM) plays an important role in the memory hierarchical in order to compensate the performance gap between the storage media and computing device. 3D VRRAM provides a cost effective integration manner for the SCM application. To explain the mechanism of Self-selective RRAM and the reliability issues, we carry out our research on （1）Fabrication of the self-selective RRAM; (2)Scaling property of the devices; (3) Mechanism and failure mechanism of self-selective RRAM; (4) Characterization of microstructure of the devices. Research contents of this project is innovative in the following aspects: (1)The correlation between microstructure and device performance of the self-selective RRAM; (2)Switching and failure mechanism of self-selective RRAM by RTN-based defect tracking technique;(3)Characterization of microstructure by C-AFM and HR-TEM.A series of innovative research achievements with independent intellectual property rights in China are expected to be achieved, which will provide technical reserves for three-dimensional integration of resistive memory and promote the development of China's semiconductor industry.

存储级内存（SCM）可以平衡存储器和内存之间的差距，可以大大优化现在的计算体系。三维垂直结构的阻变存储器（3D-VRRAM）由于其低成本、高密度的特点，成为SCM的最理想结构。本项目着眼于3D-VRRAM架构中的关键问题——自选通阻变存储器的机理解释与可靠性问题，对自选通阻变存储器的制备、器件可微缩特性的研究、自选通阻变存储器的微观机理的分析、自选通阻变存储器的失效机制的探讨和深层次物理证据的获取等方面开展深入的研究。本项目在研究自选通阻变存储材料微观结构与器件性能的关联性方面；借助随机电报噪声探究材料内部缺陷分布，确定非细丝机制的阻变器件的机理方面；借助导导电原子力显微镜和高分辨透射电镜原位在线观测器件电阻转变及失效时内部材料微观变化方面，都有重要的源头创新意义。预计会取得一系列具有我国自主知识产权的创新性的研究成果，为阻变存储器的三维集成提供技术储备，从而推动我国半导体产业发展。

本项目针对目前自选通阻变存储器领域存在的关键问题——阻变机理及失效机制的分析，展开深入研究。制备了具有优存储特性的基于双层氧化物结构的自选通阻变存储器；研究了尺寸微缩时，自选通阻变器件的基本电学特性、疲劳特性以及保持特性的变化规律；利用随机电报噪声等电学测试手段研究双层结构的缺陷分布，并通过对比不同阻态的缺陷分布阐明器件的阻变机理，通过对比失效前后的缺陷分布阐明器 件的失效机制。通过对器件的机理的研究，找出影响器件性能以及可靠性的关键因素，为器件性能的有效改善提供理论指导。形成自主知识产权，推动我国半导体产业的发展，为解决三维垂直结构阻变存储器的关键技术难题并实现商业化应用提供技术储备。 完成项目预期目标。自课题以来，课题组围绕关键科学问题，在自选通阻变存储单元开发，可微缩性机制、三维集成等方面开展了相关研究，取得了一定的进展，共发表SCI/EI学术论文12篇，其中包括Nature communications 1篇，IEEE EDL/TED 5篇；申请中国发明专利5项；在人才培养方面，共计培养博士研究生2名，其中1名博士研究生获得了国家奖学金；课题负责人罗庆获得了自然基金委优青项目。