微电子所在阻变存储器微观机制研究中取得系列进展

　　日前，中科院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术研究室(三室)在阻变存储器微观机制研究中取得系列进展。

　　阻变随机存储器(RRAM)具有结构简单、高速、低功耗、易于3D集成等优势，是下一代高密度非易失性存储器的有力竞争者之一。然而，阻变机制的不清晰阻碍了RRAM的快速发展。从最基本的微观层面探讨和研究RRAM的微观物理机制，获得RRAM电学特性与材料微观结构之间的内在联系，对于控制和提高器件的存储特性具有重要的指导作用，也有助于器件失效模型的建立和分析。而如何通过微观表征手段获得阻变过程中伴随的微观结构变化信息，一直是实验技术和方案设计上急需解决的难点问题。

　　微电子所刘明研究员领导的课题组针对CMOS工艺兼容性好的二元金属氧化物基RRAM，在器件的性能优化、集成技术及阻变机制等方面开展了系统的研究工作，取得了一些重要进展。针对阻变机制的研究，该课题组以ZrO2材料为模板，通过对Cu/ZrO2/Pt器件的高、低阻态的变温测试分析，发现低阻态时器件的温度系数与Cu纳米线的温度系数相仿，证明了Cu导电细丝的形成和破灭是导致器件发生电阻转变的主要机制(APL, 93, 223506, 2008);通过降低电压扫描速度在器件转变过程中捕获到台阶化的电流变化，证明了多根导电细丝参与了电阻转变过程，建立了基于多根导电细丝的阻变模型(APL, 95, 023501, 2009);通过TEM分析手段，在导通态样品中成功捕获到导电细丝，直接证明了这种由活性电极金属构成的多根导电细丝的转变机制，并通过电场调节成功控制导电细丝的生长位置和方向，大大减小了由导电细丝生长的随机性造成的器件参数离散(ACS Nano, 4, 6162, 2010)。

　　为了更深入地研究导电细丝形成和破灭的动力学机制，在上述工作的基础上，该课题组与东南大学孙立涛教授合作开展了基于原位显微探测技术的RRAM器件微观机制的研究工作。通过TEM实时监测RRAM器件在电学激励过程中材料的微观结构变化，成功获得了导电细丝生长和破灭的动态过程，如附图所示。实验观测结果与传统固态电解液理论预测的导电细丝生长过程相反，这主要是因为传统理论模型中没有考虑阳离子的固溶度与迁移率在不同固态电解液材料体系中的巨大差别。

　　该工作为深入理解氧化物固态电解液类型的RRAM的阻变微观机制提供了坚实的实验基础，同时，该工作中提出的实验方案也适用于其它体系的RRAM微观机制的研究。

　　相关论文作为封面文章发表在Advanced Materials(24, 1844, 2012)上，并获得审稿人的高度评价，被认为是“本领域的重要发现”。

　　上述研究工作得到了国家科技重大专项、国家重点基础研究发展计划(973计划)、中国高技术研究发展计划(863计划)和国家自然科学基金的支持。