阻变存储器数据保持特性失效机理研究

阻变存储器被认为是最有可能替代Flash，成为下一代不挥发性存储器主流的潜在技术之一。本项目着眼于目前阻变存储器存在的关键问题- - 数据保持特性，对1T1R有源阵列的制备、阵列级数据保持特性的分析、失效机制的探讨、深层次物理证据的获取及器件性能的优化等方面展开深入的研究。本课题在研究阻变材料晶格结构、缺陷、位错、掺杂等微观结构与器件保持特性的关联性方面；在探索界面工程调制对器件稳定性的作用规律研究方面；借助导电原子力显微镜（C-AFM）和高分辨透射电镜（HR-TEM）原位在线观测器件失效时内部材料微观结构的变化方面，都具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原创性的研究成果，为不挥发性存储器进入22nm及以下节点提供技术储备,从而推动我国半导体产业的发展。

课题组围绕阻变存储器保持特性失效机制及改善方法这一关键科学问题开展了深入系统的研究工作，具体情况如下：.1. 成功开发了基于1T1R结构的RRAM阵列的集成。在中芯国际生产线上完成前道CMOS工艺及后道互连工艺的基础上，在实验室里成功开发了RRAM 1kb的阵列集成工艺。该工作申请了相关专利并得到授权。.2. 在完成阵列集成的基础上，深入系统的开展了阻变存储器失效机理的研究。利用高分辨透射电子显微镜表征了多次循环后的细丝的变化，发现导电细丝中的Cu聚集效应是导致阻变特性失效的本质原因。此外，高阻态和低阻态的保持特性对循环次数的依赖性验证了这个结果。该工作发表在Scientific Reports杂志上，审稿人评价该工作是“一个非常有意思的工作，具有非常重要的实验结果”。(This is an interesting manuscript with very useful experimental results.).3. 在深入了解阻变存储器失效机理的基础上，研究了导电细丝数量对阻变器件保持特性的影响。通过控制单根细丝的生长，低阻态的保持特性可以得到显著改善。该工作发表于IEEE EDL上。.4. 提出了改善器件参数离散性和高阻态保持特性的方法。发现RESET过程中焦耳热的负反馈机制是形成中间电阻状态的主要原因，这些中间电阻态一方面导致高阻态分布的离散性，另一方面也恶化了器件的保持特性。针对该问题，我们提出了栅诱导编程方法，使RESET过程焦耳热负反馈机制变为正反馈，从而消除中间电阻态，改善高阻态的离散性和保持特性。该工作发表于IEEE EDL上。.5. 研究了低阻态阻值对高阻态保持特性的影响。对于不同阻值的低阻态RESET后形成的高阻态，其残余细丝的尖端尺寸不同导致了细丝区金属离子扩散到熔断的高阻值区的速率是不一样的，从而导致了高阻态保持特性的差异。该工作发表于Nanoscale Research Letters上。.6. 针对阻变器件的高密度交叉阵列集成，提出了具有自整流特性的Cu/a-Si/WO3/Pt结构。该工作发表于IEEE EDL上。.课题组较好的完成了本项目的各项指标，共发表SCI论文6篇，其中Scientific Reports 1篇，IEEE EDL 3篇， 国际会议论文5篇，其中做邀请报告3次，申请中国专利7项，获得美国专利授权1项。