晶圆级硅锥阵列局域化细丝实现阻变存储器均一性

《中国科学：材料科学》近期发文报道了一种CMOS兼容的、可在纳米尺度调控的晶圆级硅锥阵列制备方法。该方法可制备不同曲率半径的硅锥阵列，用于调控RRAM中导电细丝。

近日，《中国科学：材料科学》杂志在线发表了中科院微电子所张颖博士、中科大赵晓龙博士后的研究成果，该研究团队提出了一种CMOS兼容的、可在纳米尺度调控的晶圆级硅锥阵列(SSA)制备方法。该方法可制备不同曲率半径的SSA，用于调控RRAM中的导电细丝。

为制备不同曲率半径的SSA衬底，研究人员采用电感耦合等离子体刻蚀法刻蚀平面硅衬底。当刻蚀时间达到临界时间时，可获得最小曲率半径的硅锥衬底。通过延长刻蚀时间，可进一步控制尖端区域的曲率半径。随后，研究人员在不同曲率半径的SSA衬底上制备了Pt/ZrO₂/Ag RRAM器件(一个器件仅包含一个尖端)。与传统的平面型RRAM器件相比，锥型器件具有优异的单器件循环和器件间循环的均匀性和稳定性。此外，通过减小尖端区域的曲率半径，可显著提升器件转变电压和高/低阻态的分布均一性及器件阻态的保持特性等。器件转变参数均一性的改善归因于尖端区域内的局域电场增强效应。

图1 晶圆级硅锥阵列的制备：（a）硅锥阵列制备过程示意图；（b）ICP刻蚀过程中硅锥阵列衍变的SEM图像；（c-e）不同曲率半径的锥型RRAM器件的SEM图像；（f）均匀硅锥阵列的3D图像。

图2 单器件循环测试I-V曲线：（a）平面、（b）S1、（c）S2、（d）S3 RRAM器件的单器件循环I-V曲线。锥型器件具有相对优异的转变均匀性。

为确定SSA结构对导电细丝形成的影响，研究人员采用高分辨率透射电子显微镜和能量色散谱对SET操作后的Pt/ZrO₂/Ag锥型器件进行了表征。表征结果表明，SSA结构诱导器件在尖端区域形成准单根或少量的导电细丝，显著改善了器件转变参数的均一性。

图3 器件间参数均一性：S1、S2和S3器件（各10个）的250个转变循环的（a-c）转变电压和（d-f）高低阻态分布情况。

该研究所提出的SSA方法具备低成本、CMOS兼容且纳米尺度可控的特点，为高均一性RRAM器件的大规模集成提供了一种参考策略。

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Zhang, et al. CMOS-compatible wafer-scale Si subulate array for superb switching uniformity of RRAM with localized nanofilaments. Science China Materials

https://doi.org/10.1007/s40843-021-1956-9