《電子技術(shù)應(yīng)用》
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微電子所在阻變存儲器微觀機制研究中取得系列進(jìn)展

2012-04-13
關(guān)鍵詞: 微電子所 阻變存儲器

  日前,,中科院微電子研究所納米加工與新器件集成技術(shù)研究室(三室)在阻變存儲器微觀機制研究中取得系列進(jìn)展。

  阻變隨機存儲器(RRAM)具有結(jié)構(gòu)簡單,、高速,、低功耗、易于3D集成等優(yōu)勢,,是下一代高密度非易失性存儲器的有力競爭者之一,。然而,阻變機制的不清晰阻礙了RRAM的快速發(fā)展,。從最基本的微觀層面探討和研究RRAM的微觀物理機制,,獲得RRAM電學(xué)特性與材料微觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系,對于控制和提高器件的存儲特性具有重要的指導(dǎo)作用,,也有助于器件失效模型的建立和分析,。而如何通過微觀表征手段獲得阻變過程中伴隨的微觀結(jié)構(gòu)變化信息,一直是實驗技術(shù)和方案設(shè)計上急需解決的難點問題,。

  微電子所劉明研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組針對CMOS工藝兼容性好的二元金屬氧化物基RRAM,,在器件的性能優(yōu)化、集成技術(shù)及阻變機制等方面開展了系統(tǒng)的研究工作,,取得了一些重要進(jìn)展,。針對阻變機制的研究,該課題組以ZrO2材料為模板,,通過對Cu/ZrO2/Pt器件的高,、低阻態(tài)的變溫測試分析,發(fā)現(xiàn)低阻態(tài)時器件的溫度系數(shù)與Cu納米線的溫度系數(shù)相仿,,證明了Cu導(dǎo)電細(xì)絲的形成和破滅是導(dǎo)致器件發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變的主要機制(APL, 93, 223506, 2008);通過降低電壓掃描速度在器件轉(zhuǎn)變過程中捕獲到臺階化的電流變化,,證明了多根導(dǎo)電細(xì)絲參與了電阻轉(zhuǎn)變過程,建立了基于多根導(dǎo)電細(xì)絲的阻變模型(APL, 95, 023501, 2009);通過TEM分析手段,,在導(dǎo)通態(tài)樣品中成功捕獲到導(dǎo)電細(xì)絲,,直接證明了這種由活性電極金屬構(gòu)成的多根導(dǎo)電細(xì)絲的轉(zhuǎn)變機制,并通過電場調(diào)節(jié)成功控制導(dǎo)電細(xì)絲的生長位置和方向,,大大減小了由導(dǎo)電細(xì)絲生長的隨機性造成的器件參數(shù)離散(ACS Nano, 4, 6162, 2010),。

  為了更深入地研究導(dǎo)電細(xì)絲形成和破滅的動力學(xué)機制,,在上述工作的基礎(chǔ)上,該課題組與東南大學(xué)孫立濤教授合作開展了基于原位顯微探測技術(shù)的RRAM器件微觀機制的研究工作,。通過TEM實時監(jiān)測RRAM器件在電學(xué)激勵過程中材料的微觀結(jié)構(gòu)變化,,成功獲得了導(dǎo)電細(xì)絲生長和破滅的動態(tài)過程,如附圖所示,。實驗觀測結(jié)果與傳統(tǒng)固態(tài)電解液理論預(yù)測的導(dǎo)電細(xì)絲生長過程相反,,這主要是因為傳統(tǒng)理論模型中沒有考慮陽離子的固溶度與遷移率在不同固態(tài)電解液材料體系中的巨大差別。

  該工作為深入理解氧化物固態(tài)電解液類型的RRAM的阻變微觀機制提供了堅實的實驗基礎(chǔ),,同時,,該工作中提出的實驗方案也適用于其它體系的RRAM微觀機制的研究。

  相關(guān)論文作為封面文章發(fā)表在Advanced Materials(24, 1844, 2012)上,,并獲得審稿人的高度評價,,被認(rèn)為是“本領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)”。

  上述研究工作得到了國家科技重大專項,、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)、中國高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)和國家自然科學(xué)基金的支持,。

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