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客户成果丨华南师范大学《Advanced Science》：用于选择功能和低功耗存储器的热氧化记忆电阻和1T1R集成

电阻开关存储器（忆阻器）由于其高密度集成和快速的超越冯·诺伊曼架构的内存计算获得了广泛的关注。同时，忆阻器由于其高速开关、低功耗、多功能内存计算等固有的优势，在下一代高密度存储和高效神经形态计算中显示出巨大的应用潜力。然而，在实际应用中，制造过程的复杂性、高电阻状态的泄漏电流以及限制其可扩展性的潜行路径电流问题依然是目前阻碍忆阻器发展的主要原因。同时，1T1R（一个晶体管和一个忆阻器结合）是RRAM电路中特别重要的单元，其在神经形态计算和高密度存储系统中实现较多的功能，如超陡峭晶体管、传感计算集成技术和人工神经网络等。然而，一些报道1T1R结构的研究通常使用额外的金属电极连接晶体管和忆阻器，这将需要额外的步骤过程如光刻、显影和蒸镀电极等，意味着集成的复杂性增加，其过程可能引入缺陷从而导致器件性能的退化。

为了解决以上问题，华南师范大学半导体科学与技术学院霍能杰课题组在忆阻器领域中取得最新进展，该研究成果以“Thermally Oxidized Memristor and 1T1R Integration for Selector Function and Low-Power Memory”为题发表在国际著名期刊《Advanced Science》上。

图1 Ag/TiOx/SnOx/SnSe2忆阻器及其制造工艺。

在这篇文章中，作者提出了一种热氧化技术制备氧化物薄膜，分别从纯金属钛（Ti）和二维SnSe2表面可控生长薄TiOx和SnOx薄膜，其制备流程如图1所示。在整个器件制备过程中，SnSe2和Ti分别经过高浓度氧气环境和200℃条件下氧化1小时，从而在SnSe2表面形成薄层SnOx薄膜和TiOx薄膜。最后蒸镀Ag电极获得最终的器件结构Ag/TiOx/SnOx/SnSe2。与传统的氧化生长技术(如原子层沉积或磁控溅射)相比，该热氧化工艺具有低温、低成本、无损、CMOS兼容性和高器件成品率的优点。

图2 Ag/TiOx/SnOx/SnSe2忆阻器的表征。

如图2所示，通过聚焦离子束辅助透射电子显微镜(FIB-TEM)的测试方法获得该器件的横截面图像。同时通过对SnSe2氧化前后的拉曼测试的结果证明了SnSe2在氧化后表面氧化形成了SnOx薄层。

图3 Ag/TiOx/SnOx/SnSe2忆阻器的电学特性。

如图3所示，器件的I-V测试结果表明了具有非常良好阈值性行为，极大的开关比（106）、稳定的阈值电压、极好读写（500周期）和保持数据的能力（4000s）。同时通过h-BN封装后的四个月不间断测试证明了该器件具有极高的稳定性。同时相较于其他的研究报道，该器件极大的开关比（106）和超大的关态电阻（1011）表明了该器件在读写和低功耗方面的优越性。

图4 Ag/TiOx/SnOx/SnSe2忆阻器的阻值切换机制。

如图4所示，作者通过获得的横截面和变温测试的结果进一步分析该器件的阻值切换机制。值得注意的是，与传统的基于氧化物忆阻器的阻值切换原理相比，该实验还进行了不同的金属接触电极测试，结果上可以证明基于Ag电极接触的器件性能非常好。通过对Ag簇在Forming过程的分析，可以很好的证明器件背后的潜在机理。并且在变温实验过程中，可以发现器件从低温到常温时，器件由非易失性器件转为阈值性器件，这将扩大器件的应用场景。

图5 1T1R器件的结构和电学特性。

如图5所示，作者通过范德华堆叠的方式制备了1T1R器件。与传统的1T1R器件制备相比，该1T1R器件利用范德华堆叠的方式大大减小了1T1R器件制备的复杂度。同时，通过对2H-MoTe2材料的顶部栅压和硅栅压调节分别获得了选择器和多值逻辑功能。其中，静态功率在存储单一数据时相较于单一的忆阻器降低了三个数量级。