芯片集成纳米级HfO2基忆阻器件编程过程中残余离子漂移的影响

《Advanced Electronic Materials》：The Influence of Residual Ion Drift During Programming of Chip-Integrated Nanoscale HfO2-Based Memristive Devices

　　

基于过渡金属氧化物的细丝型价变机制（VCM）忆阻器件在实现高能效模拟硬件加速器（用于机器学习与神经形态计算）方面潜力巨大。为充分挖掘该潜力，将纳米结构忆阻器件与互补金属氧化物半导体（CMOS）电路集成并实现多电平编程是关键前提。在存算一体交叉阵列中，与VCM器件串联的晶体管既充当选通管，又限制SET过程的电流，从而实现不同低阻态（LRS）的编程。然而，即便对于具有线性电流-电压特性的VCM器件，也常观察到编程设定的LRS值与实测电导值GLRS之间存在偏差。本研究分析了该效应的物理起源。研究人员将尺寸为100 nm × 100 nm的HfO2基VCM器件集成于代工厂制备的180 nm CMOS晶圆上。通过对SET过程中器件响应的瞬态分析，研究人员发现VCM单元的电导在整个SET脉冲持续时间内持续上升。该发现可通过热辅助离子在细丝区域的迁移的物理仿真得到合理解释。这一认知有助于开发在多态编程中精度更高的器件。

芯片集成纳米级HfO?基忆阻器件编程中残余离子漂移效应研究解读

本研究发表于《Advanced Electronic Materials》，针对神经形态计算与存算一体技术发展的核心需求展开。细丝型价变机制（VCM）忆阻器件因开关速度快、能效高、可后端集成等优势，被视为下一代非易失性存储与计算的核心载体。当前1T1R（1晶体管-1忆阻器）结构是主流阵列单元，晶体管不仅抑制串扰，还通过饱和区限流实现多电平编程。但实际应用中，即使采用理想电流钳位，低阻态（LRS）电导G_LRS仍存在显著循环间波动，且编程设定值与实测值存在偏差，严重限制了多态存储的精度。传统“通用开关定律”认为G_LRS仅由SET过程钳位电流I_CC决定，但1T1R结构中该规律失效，其物理根源尚未明确。本研究旨在通过瞬态表征与物理建模，揭示SET脉冲期间器件的动态演化机制，为多态编程优化提供理论支撑。

研究人员采用的关键技术方法包括：在180 nm CMOS工艺平台上，通过后道工艺集成100 nm × 100 nm Pt/HfO₂/TiO_x/Ti/Pt纳米交叉阵列忆阻器件，形成两种宽长比（W/L=20与W/L=1）的1T1R测试结构；设计瞬态SET测试方案，结合晶体管负载线算法分离器件端电压V_ReRAM，实现μs级精度的动态响应表征；构建可变脉宽、可变栅压的编程波形，系统调控SET脉冲持续时间t_hold与钳位电流I_CC；引入JART VCM R_th紧凑模型（考虑状态依赖热阻的VCM器件模型），通过温度与氧空位浓度的耦合仿真验证物理机制。

研究结果如下：

3.1 1T1R结构中细丝型VCM器件的SET行为

通过晶体管负载线算法分离器件特性，研究人员观察到SET事件伴随明显的电压回跳（snapback）现象——V_ReRAM从~0.8 V骤降，电流由晶体管饱和区钳位。传统I-V_appl曲线无法分辨该动态过程，而V_ReRAM的瞬态演化揭示了器件内部的非线性开关动力学。

3.2 不同编程条件下的ReRAM SET行为

对比两种晶体管的实验表明：W/L=20器件中G_LRS与I_CC呈线性正相关（最高达400 μS）；而W/L=1器件因晶体管电阻不可忽略及工作区偏移，G_LRS在120 μS处饱和。意外发现增大SET脉冲最大电压V_appl,max（延长t_hold）可使G_LRS提升约20%，且该效应与I_CC无关，暗示时间维度对编程结果的关键影响。

3.3 恒流负载下时间对最终单元态的影响

固定I_CC=265 μA时，t_hold从10 μs增至10 ms，G_LRS持续上升，同时V_ReRAM呈拉伸指数衰减。瞬态曲线显示，SET完成后V_ReRAM并非恒定，而是在恒流下持续下降，证明导电细丝在电流持续期间仍动态生长。

3.4 晶体管特性与电流范围的影响

两种晶体管在不同I_CC（20–300 μA）与t_hold下均观察到G_LRS随脉宽增加的规律。循环间变异系数（CoV）与平均电导μ(G_LRS)在对数坐标呈线性关系，表明波动源于统一的物理机制——细丝结构的随机性随电导降低而增加。

3.5 SET编程中电流变化的影响

通过动态调控栅压改变I_CC：若SET后提升电流，G_LRS接近高I_CC参考值；若SET后立即降低I_CC（栅压降幅≥0.1 V），G_LRS增长被抑制，且CoV降低约50%（从6%降至3%），证明及时截断离子迁移可有效提升编程精度。

3.6 对编程电导态稳定性的影响

稳定性测试显示：栅压降低法编程的态在短时保持中与标准态相当，但读干扰下的分布展宽略大（稳定性降低约2%），但精度提升的收益显著高于稳定性微小损失。

讨论与结论

研究人员通过物理仿真进一步阐明机制：SET回跳后，细丝区域残留焦耳热（温度可达460 K）驱动残余离子漂移，使盘区氧空位浓度N_disc持续上升，导致电导随时间增加。传统“通用开关定律”忽略了该时间效应，因此1T1R中G_LRS同时由I_CC与t_hold共同决定。提出的栅压动态调控方案通过快速截断离子迁移，将循环间变异降低50%，且仅需纳秒级延迟即可兼容现有写终止电路。

结论表明：芯片集成VCM器件的LRS电导在SET恒流阶段持续演化，根源是细丝区残余热驱动的离子漂移。该发现修正了对1T1R编程机制的认知，强调温度控制在多态编程中的关键作用，为实现高精度存算一体器件提供了重要的理论与技术路径。