基于第一性原理的阻变存储器存储机理和优化方案的研究

As the the next generation of nonvolatile memory，resistive random access memory (RRAM) is forecasted to be the most promising candidate to replace the traditional poly-silicon floating gate memories due to high density, low power consumption, fast programming/erasing cycles and other prominent advantages. Present research on storage mechanism and reliability mainly focus on observation and analysis which is based on experiments, microstructure，characterization and real-time monitoring. The methods above pale since the demanding experimental platform, advanced testing equipments and long experimental period. To exceed the conventional study，the program will take multilevel and multi-angle simulation on the basis of parallel computer and first principles. Afterwards,we will reveal the physical mechanism of carrier transportation and storage. In view of the preliminary work,we are about to improve the resistive material by means of doping,forming native defects， controling defect valence and so on. Finally, a bridge will be built between the material electronic micro-parameters and the memory device macroscopic index. The realation will provide theoretical guidance and design tools for the optimal design and reliable integration of RRAM.

电阻转变型存储器由于具有密度高、功耗低、编程/檫除速度快等突出的优点，是可替代多晶硅浮栅存储器的下一代非挥发存储器之一。然而，目前对于其存储机理不清晰及可靠性的研究，主要是通过实验研制、显微表征及实时监测基础上进行观察和分析，存在实验平台要求高、表征和测试仪器高端、实验周期长等问题。针对上述问题，本项目结合并行计算与第一性原理开展多层次、多维度的模拟手段，从物理层面揭示载流子的输运过程和存储机理，通过掺入杂质、人造陷阱、控制化合价等手段对阻变材料进行改性，给出材料微观参数与存储器宏观电学量的定量关系，为RRAM的优化设计及可靠集成提供理论指导和设计工具。

该项目重点研究了基于HfO2的阻变存储器（RRAM）。首先，考虑阻变材料HfO2中的本质缺陷:富氧和贫氧，其中贫氧的HfO2中会有氧空位产生，且氧空位是以一定形状的团簇形式存在，当其浓度处在4.167at.%到6.25at.%范围内，在外加电压下沿HfO2[010]晶向极易形成氧空位导电细丝，这一发现有利于RRAM擦写电压的设计与控制。接着，对HfO2掺入各种杂质进行研究，特别发现间隙式金属杂质（如 Cu、Ag、Ni 等）可以在HfO2中直接产生导电通道，即形成金属导电细丝，金属杂质不同，其形成导电细丝所需浓度不同，且电荷在HfO2中易于迁移的路径也各不相同；然而，替位式金属杂质可以分为：类Hf型、N型和P型，它们不能直接在HfO2中形成导电细丝，但对HfO2中氧空位导电细丝的性能有着不同的影响和作用。紧接着，对导电细丝的形成和断裂机理进行了研究，发现导电细丝的形成不仅与阻变材料特性相关，还与电极材料的选取以及电极材料与阻变材料构成的界面特性也密切相关。在电极材料与阻变材料形成的不同体系中，带电粒子的迁移速度和迁移方向会有明显不同，这对RRAM宏观电学特性发生直接影响；而导电细丝的断裂则归因于焦耳热或反向电场，它们均会导致构成导电细丝的粒子发生运动，从而脱离导电通道的轨迹，使得导电细丝断裂。根据前述的导电机理，RRAM统一的 I-V数值模型被初步建立；同时，为了将RRAM器件用到电路设计中，我们积极开展了其SPICE宏模型的研究。最后，研究了存储器的可靠性和优化方法。.针对上述问题，本项目结合并行计算与第一性原理开展多层次、多维度的模拟手段，从物理层面揭示载流子的输运过程和存储机理，通过掺入杂质、人造陷阱、控制化合价等手段对阻变材料进行改性，给出材料微观参数与存储器宏观电学量的定量关系，为RRAM的优化设计及可靠集成提供理论指导和设计工具。