【动态】Adv. Sci. | 基于有序Ag纳米点阵的高性能选通器及其在交叉存储阵列的应用

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随着大规模集成电路技术的飞速发展、摩尔定律开始受限，以阻变存储器（RRAM）为代表的新型非挥发性存储器成为了集成电路领域的研究热点。

RRAM具有结构简单、性能稳定、速度快、功耗低等优势，并且可以采用三维交叉阵列结构来实现大规模高密度集成。然而，交叉阵列中的存储单元之间存在漏电会引起旁路串扰（Sneak paths），这是阻碍RRAM大规模高密度集成的关键问题。

为解决交叉阵列中的旁路串扰问题，通用方法是将一个两端选通器（Selector）与RRAM串联起来，形成1S1R结构，以抑制交叉阵列中潜通路的漏电流。

目前报道的选通器主要是基于整流效应、隧穿势垒效应、挥发性阈值转变效应等机制。其中，以Ag或Cu等活性金属为电极（或掺杂剂）的金属导电细丝型阈值开关具有极低漏电流（~ pA）和高非线性开关比（>10⁷）等优势特征，引起人们的广泛关注。

但是，此类选通器的工作电流通常只能限于10 μA及以下，这制约着选通器对高驱动电流和高开关比的工作要求。

鉴于此，清华大学微电子学研究所钱鹤教授、吴华强教授、高滨副教授的研究团队与复旦大学微电子学院周鹏教授合作，提出了一种有效提升金属导电细丝型阈值开关工作电流的新方法。

通过引入有序Ag纳米点阵列作为阈值开关的活性电极，结合快速热退火工艺，制备得到了高性能选通器。其主要性能指标有：高开态电流（> 1 mA，可达2.3 mA）、极低漏电流（< 1 pA）、高开关比（> 10⁹）、良好的耐久性（> 10⁸）和热稳定性（< 200°C）、无需电激励（electroforming）操作的双向阈值开关。

与Ag薄膜作活性电极的传统器件相比，基于有序Ag纳米点的阈值开关在操作过程中可以避免过量Ag原子向固体电解质中迁移，从而抑制稳定导电细丝的生长。

根据量子电导和蒙特卡洛模拟分析可知，Ag纳米点的电极设置并结合快速热处理工艺，有助于形成多条细导电细丝。在较低电压作用下，多条细导电细丝能够连接导通，而在电压降低过程中则会自发断裂。另外，将这种选通器与TaO_x/Ta₂O₅基RRAM单元串接来构建1S1R结构的交叉存储阵列，能够获得较大的读取裕度，可以有效抑制交叉阵列中漏电流，解决其中存在的旁路串扰问题（如图1所示）。为进一步提升纳米存储阵列的集成密度以及降低系统功耗提供一种新思路。

图1 基于有序Ag纳米点阵的高性能选通器及1S1R器件选通特性.（a）RRAM交叉阵列旁路串扰示意图；（b）具有高性能选通器构成1S1R结构的三维纳米存储阵列；（c）基于TaO_x/Ta₂O_5-y的RRAM的I-V特性曲线。（d）阈值开关（Ag纳米点/ HfO₂）的I-V特性曲线；（e）1S1R集成器件的I-V特性曲线，在低电压时表现出超低漏电流（~1 pA），RESET电流（I_RESET）大于1 mA（最大I_RESET = ~2.3 mA）。

该项研究成果作为Inside Front Cover文章发表在近期Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201900024) 上。

清华大学吴华强教授、高滨副教授、复旦大学周鹏教授为论文共同通讯作者。论文第一作者是清华大学出站博士后化麒麟，现为中国科学院北京纳米能源与系统研究所副研究员。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900024