简单的金属-绝缘体-金属（MIM）结构使ReRAM极易实现三维集成，有利于其运用于新一代的高密度信息存储领域。均一、快速、可靠的ReRAM器件是ReRAM商业化应用的前提。氧化硅SiO_x材料作为最常用的CMOS工艺兼容介质材料在阻变存储器ReRAM领域被广泛研究。然而，较大的操作电压、离散的电阻转变参数和氧逃逸所致的硬击穿现象阻碍了SiO_x基ReRAM在商用道路上的进程。通过元素掺杂这种常用器件性能改善方法，掺杂的SiO_x（如Sn:SiO_x, Pt:SiO_x, Ta:SiO_x等）介质材料的阻变性能也始终不尽人意。

考虑到大的操作电压是由氧空位（或阳离子）的产生及迁移势垒所致，我们选用Li_xSiO_y（Li₂O掺杂的SiO_x）材料替代SiO_x阻变介质，与Si-O键相比，弱的Li-O化学键有利于减小氧空位迁移的势垒，从而减小操作电压；另一方面，尽管Li₂O的引入可以增加SiO_x中的氧含量，必要的氧保护措施会进一步补偿阻变过程中的氧损失以免发生硬击穿，由此，我们选用具有氧保护作用的Ti作为器件的上电极。综合以上考虑，我们设计了基于Pt/Ti/Li_xSiO_y/Pt（保护层/上电极/介质层/下电极）的低氧逃逸ReRAM体系结构。

电学测试结果表明，与类似结构的Pt/Ti/SiO_x/Pt相比，基于Pt/Ti/Li_xSiO_y/Pt低氧逃逸体系结构的ReRAM器件表现出更加卓越的性能（图1，图2），包括均匀的转变参数，较小的操作电压(<2 V)，快速的信息写入操作(<10 ns)，可靠的耐久性测试（>10⁹）和良好的高温稳定性(280 °C)等。由此证明，我们设计的Pt/Ti/Li_xSiO_y/Pt低氧逃逸ReRAM体系结构是实现高均一性、高速、高可靠性ReRAM器件从而推动ReRAM商业化应用的有效途径。

图1：Pt/Ti/Li_xSiO_y/Pt及参照器件Pt/Ti/SiO_x/Pt的性能比较。Pt/Ti/Li_xSiO_y/Pt器件表现出

明显的高均一性，高可靠性，更低操作电压以及更快的信息写入速度。

图2：在高频信息写入/擦出操作中，基于Pt/Ti/Li_xSiO_y/Pt低氧逃逸体系结构的ReRAM器件在

800 μs内实现1000个写入/擦出循环，表现出超高可靠性。

该工作以《高均一性、高速、高可靠性的Li_xSiO_y基阻变存储器》(Uniform, Fast, and Reliable LixSiOy-Based Resistive Switching Memory)为题发表在微电子领域top期刊IEEE Electron Device Letters上(DOI: 10.1109/LED.2019.2900261)。

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https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8643842

                                                   通讯员：赵晓龙