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    中科院微電子所在氧化鉿基阻變存儲器領域研究中取得新進展

    時間:2021-12-21   訪問量:1169

      為應對大數據時代海量數據的存取需求,基于新材料、新原理、新結構的新型存儲技術必須具備低功耗和高密度集成的特點。阻變存儲器具有低功耗、高速存取、易于三維集成及存算融合等特點,有望成為下一代主流的存儲技術。


      阻變存儲器的高低阻態轉變行為源于導電細絲在外部電場下的可重復形成與破裂。伴隨導電細絲的形成/斷裂過程,細絲環境的物化性質也在發生動態變化,并對導電細絲產生影響。深入剖析導電細絲系統的動態物化特性并完善阻變機制,對氧化物基阻變存儲器的大規模制造和商業化發展至關重要。


      微電子所劉明院士團隊近年來對阻變器件進行了深入研究,在阻變存儲器性能優化、3D阻變存儲器陣列及芯片集成、阻變存儲器的嵌入式應用等方面取得一系列研究成果。近日,該團隊率先對氧化鉿基阻變存儲器中細絲環境的動態演變行為進行了原子級分析,證明了非晶氧化鉿基阻變存儲器的導電細絲系統為核殼結構,其核心為金屬性導電細絲,細絲殼層環境為絕緣性的結晶態HfO2。


      Pt/HfO2/Pt做為氧化鉿基阻變存儲器機制研究的經典結構,為細絲環境動態演變的研究提供了純凈的阻變環境。未經電學操作的器件中HfO2為非晶態(如圖1(a))。SET操作后,器件阻變層中形成以m-HfO2(單斜相二氧化鉿)為殼層結構的細絲系統(如圖1(b))。而在RESET操作后的器件中,在金屬性細絲斷裂的基礎上,細絲系統的殼層環境演變為t-HfO2(四方相二氧化鉿),如圖1(c)。此外,在頂電極材料為TiN、Ta、Hf和Ti的氧化鉿基阻變存儲器中,同樣清晰地觀察到該核殼結構細絲系統。因此,該核殼結構導電細絲系統對于氧化鉿基阻變存儲器具有普遍意義。研究還發現,焦耳熱效應、氧空位濃度和表面能是影響殼層HfO2晶體結構的重要因素。


      殼層結構在一定程度上阻礙了金屬性導電細絲組分的自發擴散和自發氧化,從而確保器件具有良好的保持特性,這是阻變存儲器可微縮至5nm以下的潛在關鍵因素之一。該核殼細絲理論作為價態轉變機制(VCM)的補充理論,完善了氧化鉿基阻變存儲器的阻態轉變機制,為氧化鉿基阻變存儲器的大規模制作和商業化發展提供理論參考。


      該工作以《氧化鉿基阻變存儲器中導電細絲系統動態變化的原子尺度觀察》(EvolutionoftheconductivefilamentsysteminHfO2-basedresistivememristorobservedbydirectatomic-scaleimaging)為題發表在《自然通訊》雜志上(NatureCommunications,DOI:10.1038/s41467-021-27575-z),微電子所博士研究生張穎為第一作者,微電子所劉明研究員、中國科學技術大學龍世兵教授和趙曉龍博士后、華中科技大學薛堪豪教授為通訊作者。


      該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究計劃、中央高?;究蒲谢痦椖?、中國博士后科學基金項目及中國科學院微電子研究所微電子器件與集成技術重點實驗室開放課題的資助,以及中國科學技術大學微納研究與制造中心和華中科技大學集成電路學院的支持。


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