为了应对大数据时代海量数据存取的需求，基于新材料、新原理、新结构的新型存储技术必须具备低功耗和高密度集成的特点。阻变存储器具有低功耗、高速存取、易于三维集成及存算融合等特点，有望成为下一代主流的存储技术。阻变存储器的高低阻态转变行为源于导电细丝在外部电场下的可重复形成与破裂。伴随导电细丝的形成/断裂过程，细丝环境的物化性质也在发生动态变化，并对导电细丝产生影响。深入剖析导电细丝系统的动态物化特性并揭示阻变机制，对于氧化物基阻变存储器的大规模制造和商业化发展至关重要。
中国科学院微电子研究所刘明院士团队近年来围绕阻变器件开展了系列研究工作，在阻变存储器性能优化、3D阻变存储器阵列及芯片集成、阻变存储器的嵌入式应用等方面取得系列研究成果。近日，该团队与中国科大、华中科技大学、北京工业大学和复旦大学相关团队合作率先对氧化铪基阻变存储器中细丝环境的动态演变行为进行了原子级观察，证明了非晶氧化铪基阻变存储器的导电细丝系统为核壳结构：其核心为金属性导电细丝，细丝壳层环境为绝缘性的结晶态HfO2。
Pt/HfO2/Pt作为氧化铪基阻变存储器机制研究的经典结构为细丝环境动态演变的研究提供了纯净的阻变环境。未经电学操作的器件中HfO2为非晶态（如图1(a))。SET操作后，器件阻变层中形成以m-HfO2（单斜相二氧化铪）为壳层结构的细丝系统（如图1(b))。而在RESET操作后的器件中，在金属性细丝断裂的基础上，细丝系统的壳层环境演变为t-HfO2（四方相二氧化铪），如图1(c)。此外，在顶电极材料为TiN、Ta、Hf和Ti的氧化铪基阻变存储器中，同样清晰地观察到该核壳结构细丝系统。因此，该核壳结构导电细丝系统对于氧化铪基阻变存储器具有普遍意义。研究还发现，焦耳热效应、氧空位浓度和表面能是影响壳层HfO2晶体结构的重要因素。壳层结构在一定程度上阻碍了金属性导电细丝组分的自发扩散和自发氧化，从而确保器件具有良好的保持特性，这是阻变存储器可微缩至5nm以下的潜在关键因素之一。该核壳细丝理论作为价态转变机制（VCM）的补充，完善了氧化铪基阻变存储器的阻态转变微观理论，为氧化铪基阻变存储器的大规模制作和商业化发展提供理论参考。
图1. 初始态、SET态和RESET态器件细丝系统的HRTEM图像。(a) 初始态器件中HfO2为非晶状态；(b) SET操作后，器件阻变层中出现被m-HfO2包围的完整的导电细丝；(c) RESET器件中断裂的金属性细丝，其壳层晶体结构由m-HfO2转变为t-HfO2相。
图2. 氧化铪基阻变存储器不同工作阶段细丝系统演变示意图。
2021年12月13日，该工作以《氧化铪基阻变存储器中导电细丝系统动态变化的原子尺度观察》（Evolution of the conductive filament system in HfO2-based resistive memristor observed by direct atomic-scale imaging）为题发表在《自然通讯》杂志上（Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-021-27575-z），微电子所博士研究生张颖为第一作者，微电子所刘明研究员、中国科学技术大学龙世兵教授和赵晓龙博士后、华中科技大学薛堪豪教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导研究计划、中国科学院前沿科学重点研究计划、中央高校基本科研基金项目、中国博士后科学基金项目及中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室开放课题的资助。也得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心和华中科技大学集成电路学院的支持。
相关链接
相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27575-z
刘明院士个人网页链接：http://www.ime.cas.cn/sourcedb_ime_cas/zw/zjrck/201512/t20151216_4497277.html
龙世兵教授个人网页链接：http://sme.ustc.edu.cn/2018/1215/c17411a365660/page.htm
薛堪豪教授个人网页链接：http://www.eedevice.com