利用自身极化作用和非对称性结构诱导场效应实现纳米级自整流的RRAM选通研究

High-speed, low-power, non-volatile and two-end structural Resistive Switching Random Access Memory (RRAM), is the focus of the future ultra-high-density 3D storage technology. With the continuous miniaturization of 3D integrated arrays and the appearance of quantum effects, the development of new selectors based on new ideas and new structures has become an urgent need to overcome the crosstalk issue in the RRAM 3D integration. In order to solve this critical problem, we use the self-polarization and non-symmetric-structure induced field effect to realize the nanoscale RRAM selector, which is homogeneous and suitable for the nanoscale RRAM array. Finally, the fabrication and characterization technologies of the selector in the 3D integrated RRAM array should be developed. This project will provide a new idea and solution to solve the crosstalk issue in the nanoscale array of the 3D integrated RRAM.

高速、低功耗、非挥发性、具有简单两端结构的阻变存储器(RRAM)，是未来超高密度三维存储技术的研究热点。随着三维集成阵列的持续微缩化和量子效应的显现，开发基于新思路、新结构的选通器件（Selector）的研究成为克服串扰实现RRAM三维集成的迫切需求。本项目针对这个关键问题，利用氧化物阻变材料自身极化作用和非对称性结构诱导场效应实现纳米级自整流的RRAM选通，研制同质选通且适用于纳米尺度集成的选通阵列器件。以此为基础，开发RRAM三维交叉阵列选通器件集成结构的制备工艺和测试表征技术。本项目将为解决纳米尺度下RRAM的三维集成中的选通问题提供新的思路和解决方案。

本项目以无源交叉阵列的RRAM三维集成中的关键选通技术为研究对象，从材料、结构、原理和集成这四个方面系统研究了RRAM交叉阵列的由非自身极化和非对称性结构诱导场效应形成的选通器件，获得新原理、新结构的高性能选通器件及集成结构。在Pt/HfO2/n+-Si阻变存储器(RRAM)中实现了使用具有不对称结构的纯HfO2层的自整流。该器件表现出高整流比(> 105)的可重复自整流行为。它结合了晶体管和二极管的优点，因为其整流不仅符合双端口，而且利用静电效应进行门控。这种纳米尺度的整流选择器是对同质HfO2层均匀制造的。通过剪裁电流通道的边界来打破纵向对称性，从而诱导纳米级静电效应以形成门（栅）功能来整流潜行电流。在单个RRAM装置中观察到具有高整流比（>105）和在125℃下优异的RS保持行为。衔接这项工作内容，进一步的工作中则主要开展了铁电作用下的电流选通研究。目前主要研究了脉冲列刺激下的电流效应。通过双向的电流反应区别，将其应用于三端结构器件，探索栅电压控下的电流变化。双极性的反应特性不仅在突触晶体管的双重反应在模仿生物神经元方面显示出有希望的前景，同时在三维集成阵列的智能整流方面也引入了新的可能和思路。同时研究了存储器集成结构下单元器件的电场调控影响。如进行了特殊局域电场分布以及HfO2铁电性能对集成性能的影响。尝试研究了不同材料，如IGZO，Al2O3等与HfO2基器件结合的影响以及性能。同时在研究过程得到了上述材料器件优化的器件参数。在上述工作的基础上，基于IGZO与 HfO2基器件结合的良好性能，以及整流特性，研究了在不同强度和参数脉冲电流刺激下的IGZO/HfO2复合层结构的电流特性以及反应特性。同时结合忆阻的文献类比工作，得到了较为有参考意义的结果。