為應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代海量數(shù)據(jù)的存取需求，基于新材料、新原理、新結(jié)構(gòu)的新型存儲(chǔ)技術(shù)必須具備低功耗和高密度集成的特點(diǎn)。阻變存儲(chǔ)器具有低功耗、高速存取、易于三維集成及存算融合等特點(diǎn)，有望成為下一代主流的存儲(chǔ)技術(shù)。

　　阻變存儲(chǔ)器的高低阻態(tài)轉(zhuǎn)變行為源于導(dǎo)電細(xì)絲在外部電場(chǎng)下的可重復(fù)形成與破裂。伴隨導(dǎo)電細(xì)絲的形成/斷裂過(guò)程，細(xì)絲環(huán)境的物化性質(zhì)也在發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)導(dǎo)電細(xì)絲產(chǎn)生影響。深入剖析導(dǎo)電細(xì)絲系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)物化特性并完善阻變機(jī)制，對(duì)氧化物基阻變存儲(chǔ)器的大規(guī)模制造和商業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要。 

　　微電子所劉明院士團(tuán)隊(duì)近年來(lái)對(duì)阻變器件進(jìn)行了深入研究，在阻變存儲(chǔ)器性能優(yōu)化、3D阻變存儲(chǔ)器陣列及芯片集成、阻變存儲(chǔ)器的嵌入式應(yīng)用等方面取得一系列研究成果。近日，該團(tuán)隊(duì)率先對(duì)氧化鉿基阻變存儲(chǔ)器中細(xì)絲環(huán)境的動(dòng)態(tài)演變行為進(jìn)行了原子級(jí)分析，證明了非晶氧化鉿基阻變存儲(chǔ)器的導(dǎo)電細(xì)絲系統(tǒng)為核殼結(jié)構(gòu)，其核心為金屬性導(dǎo)電細(xì)絲，細(xì)絲殼層環(huán)境為絕緣性的結(jié)晶態(tài)HfO₂。 

　　Pt/HfO₂/Pt做為氧化鉿基阻變存儲(chǔ)器機(jī)制研究的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，為細(xì)絲環(huán)境動(dòng)態(tài)演變的研究提供了純凈的阻變環(huán)境。未經(jīng)電學(xué)操作的器件中HfO₂為非晶態(tài)（如圖1(a))。SET操作后，器件阻變層中形成以m-HfO₂（單斜相二氧化鉿）為殼層結(jié)構(gòu)的細(xì)絲系統(tǒng)（如圖1 (b))。而在RESET操作后的器件中，在金屬性細(xì)絲斷裂的基礎(chǔ)上，細(xì)絲系統(tǒng)的殼層環(huán)境演變?yōu)?/span>t-HfO₂（四方相二氧化鉿），如圖1(c)。此外，在頂電極材料為TiN、Ta、Hf和Ti的氧化鉿基阻變存儲(chǔ)器中，同樣清晰地觀察到該核殼結(jié)構(gòu)細(xì)絲系統(tǒng)。因此，該核殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電細(xì)絲系統(tǒng)對(duì)于氧化鉿基阻變存儲(chǔ)器具有普遍意義。研究還發(fā)現(xiàn)，焦耳熱效應(yīng)、氧空位濃度和表面能是影響殼層HfO₂晶體結(jié)構(gòu)的重要因素。 

　　殼層結(jié)構(gòu)在一定程度上阻礙了金屬性導(dǎo)電細(xì)絲組分的自發(fā)擴(kuò)散和自發(fā)氧化，從而確保器件具有良好的保持特性，這是阻變存儲(chǔ)器可微縮至5nm以下的潛在關(guān)鍵因素之一。該核殼細(xì)絲理論作為價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制（VCM）的補(bǔ)充理論，完善了氧化鉿基阻變存儲(chǔ)器的阻態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制，為氧化鉿基阻變存儲(chǔ)器的大規(guī)模制作和商業(yè)化發(fā)展提供理論參考。 

　　該工作以《氧化鉿基阻變存儲(chǔ)器中導(dǎo)電細(xì)絲系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的原子尺度觀察》（Evolution of the conductive filament system in HfO₂-based resistive memristor observed by direct atomic-scale imaging）為題發(fā)表在《自然通訊》雜志上（Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-021-27575-z），微電子所博士研究生張穎為第一作者，微電子所劉明研究員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)龍世兵教授和趙曉龍博士后、華中科技大學(xué)薛堪豪教授為通訊作者。 

　　該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、中央高?；究蒲谢痦?xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目及中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題的資助，以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心和華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院的支持。 

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相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27575-z

劉明院士個(gè)人網(wǎng)頁(yè)鏈接：http://www.6831777.com/sourcedb_ime_cas/zw/zjrck/201512/t20151216_4497277.html 

龍世兵教授個(gè)人網(wǎng)頁(yè)鏈接：http://sme.ustc.edu.cn/2018/1215/c17411a365660/page.htm 

薛堪豪教授個(gè)人網(wǎng)頁(yè)鏈接：http://www.eedevice.com 

圖1. 初始態(tài)、SET態(tài)和RESET態(tài)器件細(xì)絲系統(tǒng)的HRTEM圖像。(a) 初始態(tài)器件中HfO₂為非晶狀態(tài)；(b) SET操作后，器件阻變層中出現(xiàn)被m-HfO₂包圍的完整的導(dǎo)電細(xì)絲；(c) RESET器件中斷裂的金屬性細(xì)絲，其殼層晶體結(jié)構(gòu)由m-HfO₂轉(zhuǎn)變?yōu)?span lang="EN-US">t-HfO₂相 

圖2. 氧化鉿基阻變存儲(chǔ)器不同工作階段細(xì)絲系統(tǒng)演變示意圖