近日，微電子所納米加工與新器件集成技術(shù)研究室（三室）在阻變存儲(chǔ)器研究工作中取得進(jìn)展，并被美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)ACS Nano雜志在線報(bào)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）。

　　隨著電子科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來(lái)的存儲(chǔ)器應(yīng)具有非揮發(fā)性、超高的存儲(chǔ)密度、超快的讀寫速度和更低的功耗。基于電荷存儲(chǔ)的傳統(tǒng)非揮發(fā)存儲(chǔ)器NOR/NAND Flash的尺寸縮小現(xiàn)已逼近其極限，難以滿足未來(lái)存儲(chǔ)器的高密度和高性能的要求。而基于二元氧化物材料的電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器（ReRAM）具有低廉的價(jià)格、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、超高的密度、低功耗、高速和與CMOS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注，有望成為新一代主流的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。

　　在電激勵(lì)下，二元氧化物中形成破滅局域的導(dǎo)電細(xì)絲是引起這類材料發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的主要物理機(jī)制。導(dǎo)電細(xì)絲可能由氧化物自身分解出來(lái)的氧空位組成，也可能由電極引入的金屬離子組成。但是，不管是哪種情況，導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)過(guò)程都是隨機(jī)的，不易控制，因此造成ReRAM器件轉(zhuǎn)變參數(shù)的離散性較大。國(guó)際上大部分的研究小組都把目光集中在通過(guò)優(yōu)化器件的材料體系來(lái)改善這類ReRAM器件轉(zhuǎn)變參數(shù)的均勻性，主要的方法有如下幾種：第一，優(yōu)化ReRAM的功能層材料的晶格結(jié)構(gòu)；第二，采用活性電極(如：Ti、TiN和Al等)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的惰性電極；第三，采用摻雜技術(shù)來(lái)改善器件的轉(zhuǎn)變特性；第四，在電極與功能層之間增加薄層金屬。但是，目前還很少有文獻(xiàn)報(bào)道通過(guò)控制細(xì)絲的形成過(guò)程來(lái)達(dá)到改善器件轉(zhuǎn)變特性的方法。

　　微電子所納米加工與新器件集成技術(shù)研究室劉明研究員領(lǐng)導(dǎo)的存儲(chǔ)器研究小組提出了一種通過(guò)增強(qiáng)功能層薄膜中的局域電場(chǎng)來(lái)控制導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)位置和方向的方法。通過(guò)控制導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)過(guò)程，從本質(zhì)上減小導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)的隨機(jī)性，從而減小ReRAM器件轉(zhuǎn)變參數(shù)離散性。基于TCAD的模擬結(jié)果，該課題組研究人員通過(guò)在下電極上生長(zhǎng)金屬納米晶的方法來(lái)增強(qiáng)功能層薄膜中的局域電場(chǎng)。通過(guò)研究Ag/ZrO2/Cu NC/Pt原型器件的電阻轉(zhuǎn)變特性驗(yàn)證了這種方法的有效性；通過(guò)TEM的分析手段，直接證明了納米晶可以控制導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)位置和方向；通過(guò)TEM的能譜分析驗(yàn)證了導(dǎo)電細(xì)絲的微觀構(gòu)成，并建立了納米晶控制導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)的微觀機(jī)制。該研究成果投稿到ACS Nano雜志，獲得了兩位審稿人的高度評(píng)價(jià)，并將刊登于2010年的第11期上。

　　此外，該研究小組的研究人員采用納米晶控制導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)的理論，并基于實(shí)際應(yīng)用的前提下制備了與CMOS工藝完全兼容的Cu/ZrO2/Cu NC/Pt器件，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的器件具有低功耗和多值存儲(chǔ)的特性，這部分研究工作也已被IEEE Electron Device Letter接收。

　　圖1、(a) Ag/ZrO2/Cu NC/Pt器件的電阻轉(zhuǎn)變曲線，插圖為器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 導(dǎo)電細(xì)絲的TEM照片；(c)Ag和Cu元素的EDS線掃描強(qiáng)度，結(jié)果顯示Ag導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)在Cu納米晶上；(d)電場(chǎng)分布模擬；(e)納米晶誘導(dǎo)細(xì)絲生長(zhǎng)的示意圖。