变价氧化物基阻变存储器中电导量子化转变机制研究

Resistive random access memory (RRAM) shows a lot of advantages, such as high speed, low energy consumption, non-volatile. RRAM serves as an important candidate for the next generation memory. The quantized conductance in RRAM can extremely increase the capacity of information storage, thus enhancing the storage density. However, the conductance quantization behavior is non-uniform in the oxide-based valence change memory (VCM) systems. The threshold voltages and retention time of the quantized conductance are various among different systems. It is very difficult to achieve the accurate control of the quantized conductance states. In this proposal, tantalum oxide is selected as the storage medium. By adjusting the deposition parameters of the film and altering the electrode of the devices, the effects of defect concentration and interface conditions of the film on the microstructure of conductive filaments will be clarified with complementary characterizations of the microstructure of conductive filaments. Meanwhile, we will expound the underlying mechanism of the quantized conductance in the growth and rupture process of the conductive filaments, and propose a method to control the stability and repeatability of the conductance quantization behavior. These research results would provide reliable experimental evidence and theoretical basis for achieving practical application of the high-density multi-level storage RRAM based on conductance quantization.

阻变存储器具有高速、低功耗、非易失性等一系列优点，是极具潜力的下一代存储器候选者之一。阻变存储器中电导转变的量子化更能成倍地增加其信息存储量，实现超高密度存储。然而，基于氧离子迁移的变价氧化物基阻变存储器的量子导电行为的一致性差，不同氧化物体系在量子导电转变电压、保持时间等参数上存在很大差异，对于特定量子态电导值的可控性差。因此，本项目拟选用五氧化二钽作为存储介质材料，通过调制薄膜制备工艺和调整与介质薄膜搭配的电极种类，结合对导电细丝微结构的精细表征，阐明薄膜缺陷浓度及界面特征对于器件导电细丝微结构的作用机制，揭示导电细丝生长和断开过程中电导量子化的微观机理，提出电信号激励模式对于器件量子导电行为稳定性和重复性的调控方法。本项目的研究成果将为推动基于量子导电行为的高密度多值阻变存储器的实际应用提供可靠的实验依据和理论基础。

阻变存储器具有高速、低功耗、非易失性等一系列优点，是极具潜力的下一代存储器候选者之一。阻变存储器中电导转变的量子化更能成倍地增加其信息存储量，实现超高密度存储。然而，基于氧离子迁移的变价氧化物基阻变存储器的量子导电行为的一致性差，不同氧化物体系在量子导电转变电压、保持时间等参数上存在很大差异，对于特定量子态电导值的可控性差，需要从制备工艺和信号激励方法等方面揭示电阻转变机理。. 本项目选用高介电常数的HfO2和Ta2O5薄膜作为研究对象，研究了氧化物薄膜的缺陷浓度调控及其与电性能的相关性。并通过调整薄膜制备方法、制备工艺、退火工艺和掺杂浓度等条件，获得了具有不同缺陷浓度的HfO2和Ta2O5薄膜，并测试了基于不同浓度氧化物薄膜的电性能，研究了薄膜中的缺陷浓度对于电性能的影响。采用TaN薄膜作为阻变器件的底电极，比较了TaN电极界面反应生成的Ta2O5–x薄膜与其它方法制备Ta2O5薄膜电性能的差异，并研究了以TaN为电极的阻变器件的电阻转变特性与金属电极阻变器件的电阻转变特性的差异，研究了电极特性与电阻转变行为之间的关联性。通过改变施加电信号的加载方式，研究了Ta2O5基阻变存储器中量子导电行为与直流加载模式下的差异。在不同电信号加载方式下研究了器件发生量子导电过程的重复性、量子态的稳定性以及特定量子态的可控性。证明了器件中氧空位导电细丝与电极的接触面积是以原子为单位增大或减小，验证了不论导电细丝的种类，只要尺寸到了原子级别就能观察到量子导电现象。. 本项目明确了电信号激励模式对于器件量子导电行为稳定性和重复性的调控方法，为推动基于量子导电行为的高密度多值阻变存储器的实际应用提供理论基础和实验探索。项目共发表SCI论文13篇，授权发明专利2项，获得了2018年的北京市科学技术奖二等奖。