通过简单的1T1R结构配置来改善基于HfO?的RRAM的模拟开关特性

《Solid-State Electronics》：Improving the analog switching behavior in HfO 2-based RRAM with simple 1T1R structure configuration

模拟开关、电阻随机存取存储器、人工神经网络、自加速离子迁移、多级特性

　　

Jian Xia | Huikai He | Dingyi Shen | Xiangyang Jiang | Juntao Yang

湖北汽车工业大学光电工程学院储能与动力电池重点实验室，中国十堰442002

摘要

具有模拟开关（AS）功能的电阻式随机存取存储器（RRAM）在计算存储（CIM）应用中展现出巨大潜力。然而，在丝状RRAM单元中实现理想的模拟开关行为仍然具有挑战性。在这项工作中，提出了两种器件结构配置（1nT1rR和1pT1R），以改善单晶体管单电阻（1T1R）结构RRAM的AS性能。本文阐明了器件结构配置对1T1R RRAM模拟开关行为的影响。与传统的1T1R RRAM配置相比，采用1nT1rR和1pT1R结构的RRAM能够有效解决SET过程中离子迁移自加速导致的导电性突变问题。在电信号激励下，该器件表现出优异的模拟开关性能，并可实现导电性的连续调制。得益于改进结构下导电性调制的良好线性，我们建立了一个人工神经网络（ANN），用于手写数字图像识别任务，识别准确率超过91%。我们的工作为RRAM开关性能的优化提供了一种简单策略，并在神经形态计算领域展示了巨大潜力。

引言

全球对人工智能（AI）需求的快速增长引发了AI计算能力需求的爆炸性增长，这对当前计算机系统的计算能力提出了更高要求[1]。然而，传统的冯·诺依曼架构在计算能耗方面已达到极限，难以在硬件层面进一步改进[2]、[3]、[4]。作为一种新的计算范式，计算存储（CIM）将计算任务直接嵌入存储单元中进行处理，从而避免了传统计算模型中的频繁数据传输和复杂的内存管理，提高了计算效率和性能[5]、[6]。目前，CIM技术被认为是下一代非冯·诺依曼计算架构的有力候选者[7]、[8]、[9]，可以大幅降低乘加（MAC）操作期间的计算延迟和能耗[10]、[11]。

人工电子突触和神经元是实现CIM的关键器件[12]、[13]、[14]。为了满足CIM器件在现实世界中的应用需求，已经开发了几种非易失性存储器件来物理实现神经形态CIM平台，如相变存储器（PCM）[15]、[16]、铁电场效应晶体管（FeFET）[17]、磁随机存取存储器（MRAM）[18]、二维材料[19]、[20]、电阻式随机存取存储器（RRAM）[21]、[22]等。其中，基于过渡金属氧化物（TMOs）的RRAM因其固有的优势（包括低功耗、快速开关速度、高集成密度以及与CMOS工艺的兼容性）而成为人工突触的极具前景的候选者[23]、[24]、[25]。在这些TMOs中，HfO₂由于其卓越的耐久性、高介电常数和快速开关速度而成为最具有代表性的候选材料[26]、[27]、[28]。尽管具有这些优势，但设计出具有优异AS特性的HfO₂基RRAM单元在CIM应用中仍面临重大挑战[29]。

主流RRAM器件中的传统丝状开关机制通常会导致突变的SET转变，限制了神经网络训练的效果[30]、[31]。最近，Woo等人发现通过在SET过程中插入AlO_x阻挡层可以实现AS[28]。此外，Wu等人证明引入热增强层可以促进多个弱丝的形成，从而增强模拟行为[29]、[31]。然而，这些方法增加了RRAM器件制备的复杂性，阻碍了RRAM器件的无缝大规模集成。因此，迫切需要一种实用且高效的解决方案来实现具有AS行为的RRAM单元。

在这项工作中，我们提出了一种无需对HfO₂基RRAM器件进行结构修改或特殊处理的改进方法来增强AS性能。与传统配置相比，我们的新型片上集成方案涉及改变RRAM器件的沉积顺序或改变晶体管类型。在改进的方案中，由于SET过程中的夹断效应，晶体管会迅速进入饱和区域，使VRRAM快速饱和，从而显著抑制了离子迁移的自加速。因此，我们的方法实现了AS和多级特性的同时存在，这对CIM应用具有很大潜力。

实验方法

实验方法

为了形成1T1R结构，我们基于商用标准40纳米工艺的n型MOSFET（n-MOSFET）或p型MOSFET（p-MOSFET）衬底制备了RRAM器件，MOSFET的通道长度为10微米。首先，通过原子层沉积（ALD）方法在衬底上沉积15纳米厚的TiN薄膜，形成RRAM器件的底电极层。然后，在底电极层上沉积8纳米厚的HfO₂薄膜，形成电阻层。

器件结构

在这项工作中，1T1R器件包括一个通道长度为10微米的n型晶体管，并与具有TiN/Ti/HfO₂/TiN结构的RRAM器件相结合。图1(a)展示了1T1R器件的示意图，并附有RRAM器件的TEM图像。可以看出，RRAM器件中各层的组成与预期设计一致，表明制备技术非常出色。

在传统的1T1R配置中，RRAM器件是

结论

在这项工作中，我们使用改进的器件配置（1nT1rR或1pT1R）成功展示了1T1R结构中的AS行为。与传统1nT1R配置相比，所提出的器件配置能够有效增强RRAM器件在SET过程中的模拟开关性能。此外，基于RRAM器件的模拟行为，还展示了多级特性和优异的长期塑性特性。

CRediT作者贡献声明

Jian Xia：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，概念构思。Huikai He：软件开发，资金获取。Dingyi Shen：数据分析，资金获取。Xiangyang Jiang：实验研究，正式分析。Juntao Yang：项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了湖北汽车工业大学储能与动力电池重点实验室开放基金（ZDK22025A02）、武汉工业大学光信息与模式识别重点实验室开放基金会项目（202403）以及湖北汽车工业大学博士科学研究基金（BK202486；BK202509）的支持。