電阻隨機存儲器三維集成技術研究

《電阻隨機存儲器三維集成技術研究》是依託清華大學，由張志剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：電阻隨機存儲器三維集成技術研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：張志剛
• 項目類別：面上項目

項目摘要

針對非揮發性存儲器發展趨勢及實際套用需要，本課題集中研究電阻隨機存儲器三維集成技術。主要研究內容包括：（1）基於三維集成需要遴選阻變存儲器件（RRAM）材料，最佳化材料組分，製備、改進並穩定材料沉積控制技術。（2）提出新型RRAM器件結構，設計模擬三維集成RRAM電路等新型存儲技術，探索適宜三維疊層集成的RRAM存儲器件結構和選擇電晶體器件結構，研究三維集成中多層堆疊的工藝控制，建立RRAM器件理論模型和可靠性評測方法。（3）通過對存儲器件結構及操作原理、三維集成存儲技術以及存儲電路等方面的融合性研究，研究具有多位糾錯能力的ECC算法和自糾錯電路，開發面向三維集成的存儲器電路系統架構技術。基於新存儲單元構建電路系統，設計新型存儲器驗證電路。探索符合低壓低功耗發展趨勢的新一代非揮發性電阻隨機存儲器關鍵技術。

結題摘要

為了提高存儲器的集成密度，器件尺寸不斷縮小，多值存儲技術獲得越來越廣泛的套用，3D堆疊技術也逐漸成為研究熱點。阻變存儲器（RRAM）及其三維集成的新型存儲器由於簡單的器件結構、緊湊的存儲陣列、優良的存儲性能和與現有CMOS工藝的高兼容度，成為最具潛力的解決方案之一。本項目針對現有高密度非揮發存儲技術中尚未解決的問題，開展了適合於三維集成的阻變介質的材料篩選、器件結構及存儲性能、多值特性和三維集成技術等多方面的研究工作。 通過遴選出適用於高密度三維阻變存儲器件的存儲介質薄膜材料，最佳化製備工藝，研究製備了基於金屬氧化物材料及石墨烯氧化物等RRAM器件，分析其阻變存儲特性、物理機制和可靠性等，並綜合比較優選出以HfO2為基礎的阻變材料體系。提出了一種混合導電細絲模型，較好地解釋了輻照引起的存儲性能退化現象。 針對RRAM器件的多值存儲性能，一方面，提出了一種最佳化的電壓-電流綜合調節的操作方法來增大存儲視窗並提高存儲數據的可靠性；另一方面從材料和器件的角度，探索了疊層結構對多值存儲性能的改善，同時建立了RRAM器件中導電細絲的微觀模型，並利用仿真軟體對這一模型進行了模擬分析，從而指導多值存儲器件的最佳化設計。 圍繞三維存儲技術，分別對交叉點陣結構和垂直環柵結構的器件進行了研究。在交叉點陣結構的三維存儲器研究中，設計了一種新型的高性能選擇開關器件及其存儲陣列架構和操作方法，研究了選擇器件與阻變介質薄膜在三維集成中的工藝製備技術。在垂直的環柵型三維存儲器研究中，實驗分析了多層環柵器件的存儲性能，並從存儲陣列、操作方法、外圍電路等多方面，初步探索了新型環柵器件在三維高密度阻變存儲器套用中的實現方案。