微电子所在阻变存储器研究中取得新进展

2010-11-01 11:31 来源: 中国科学院
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  近日,中科院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术研究室在阻变存储器研究工作中取得进展,并被美国化学协会ACS Nano杂志在线报道(Controllable Growth of Nanoscale Conductive Filaments in Solid-Electrolyte-Based ReRAM by Using a Metal Nanocrystal Covered Bottom Electrode, Qi Liu, Shibing Long, Hangbing Lv, Wei Wang, Jiebin Niu, Zongliang Huo, Junning Chen, and Ming Liu, ACS Nano, published online, DOI: 10.1021/nn1017582)。

  随着电子科学技术的飞速发展,未来的存储器应具有非挥发性、超高的存储密度、超快的读写速度和更低的功耗。基于电荷存储的传统非挥发存储器NOR/NAND Flash的尺寸缩小现已逼近其极限,难以满足未来存储器的高密度和高性能的要求。而基于二元氧化物材料的电阻式随机存储器(ReRAM)具有低廉的价格、简单的结构、超高的密度、低功耗、高速和与CMOS工艺兼容的优点,受到广泛的关注,有望成为新一代主流的非挥发性存储器。

  在电激励下,二元氧化物中形成破灭局域的导电细丝是引起这类材料发生电阻转变现象的主要物理机制。导电细丝可能由氧化物自身分解出来的氧空位组成,也可能由电极引入的金属离子组成。但是,不管是哪种情况,导电细丝的生长过程都是随机的,不易控制,因此造成ReRAM器件转变参数的离散性较大。国际上大部分的研究小组都把目光集中在通过优化器件的材料体系来改善这类ReRAM器件转变参数的均匀性,主要的方法有如下几种:第一,优化ReRAM的功能层材料的晶格结构;第二,采用活性电极(如:Ti、TiN和Al等)代替传统的惰性电极;第三,采用掺杂技术来改善器件的转变特性;第四,在电极与功能层之间增加薄层金属。但是,目前还很少有文献报道通过控制细丝的形成过程来达到改善器件转变特性的方法。

  微电子所纳米加工与新器件集成技术研究室刘明研究员领导的存储器研究小组,提出了一种通过增强功能层薄膜中的局域电场来控制导电细丝的生长位置和方向的方法。通过控制导电细丝的生长过程,从本质上减小导电细丝生长的随机性,从而减小ReRAM器件转变参数离散性。基于TCAD的模拟结果,该课题组研究人员通过在下电极上生长金属纳米晶的方法来增强功能层薄膜中的局域电场。通过研究Ag/ZrO2/Cu NC/Pt原型器件的电阻转变特性验证了这种方法的有效性;通过TEM的分析手段,直接证明了纳米晶可以控制导电细丝的生长位置和方向;通过TEM的能谱分析验证了导电细丝的微观构成,并建立了纳米晶控制导电细丝生长的微观机制。该研究成果投稿到ACS Nano杂志后,获得了两位审稿人的高度评价,并将刊登于2010年的第11期上。

  此外,该研究小组的研究人员采用纳米晶控制导电细丝生长的理论,并基于实际应用的前提下制备了与CMOS工艺完全兼容的Cu/ZrO2/Cu NC/Pt器件,发现这种结构的器件具有低功耗和多值存储的特性,这部分研究工作也已被IEEE Electron Device Letter接收。

  

  (a) Ag/ZrO2/Cu NC/Pt器件的电阻转变曲线,插图为器件结构示意图;(b) 导电细丝的TEM照片;(c)Ag和Cu元素的EDS线扫描强度,结果显示Ag导电细丝生长在Cu纳米晶上;(d)电场分布模拟;(e)纳米晶诱导细丝生长的示意图。