基于紧凑模型研究模拟型导电金属氧化物/HfOx阻变存储器的阻变动力学与记忆态平衡机制

本刊推荐一篇关于阻变存储器（ReRAM）紧凑模型的前沿研究，该工作通过物理建模揭示了CMO/HfOx结构在类脑计算与存算一体架构中的动力学机制与平衡特性（包括对称点SP与渐变导电行为），为新一代非易失性存储和神经形态计算系统提供了关键器件仿真基础。

　　

引言：阻变存储器的兴起与技术挑战

随着互补金属氧化物半导体（CMOS）器件尺寸持续微缩，传统存储技术如静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）和闪存在性能提升方面逐渐难以匹配处理器的发展速度。在先进制程节点中，嵌入式存储单元的成本不断攀升，部分技术甚至与CMOS制造工艺存在兼容性问题。与此同时，存储器在数据移动方面存在延迟问题，尤其在处理人工智能（AI）等数据密集型任务时，冯·诺依曼架构的瓶颈日益凸显。

阻变存储器（ReRAM）以其低成本、高密度集成、低热预算以及可与后端工艺（BEOL）兼容的双终端结构，成为替代传统存储技术的重要选项。其核心结构为金属/绝缘体/金属（M/I/M）堆叠，近年来通过在器件堆叠中引入工程化的导电金属氧化物（CMO）层，HfO_x基ReRAM的阻变特性显著提升。

紧凑模型构建与物理机制

本研究提出一种针对CMO/HfO_x基ReRAM的物理紧凑模型，能够在大范围工作条件下复现其模拟阻变行为。该模型基于三维有限元仿真，对器件堆叠内的电热配置做出合理假设，并进一步扩展了离子迁移与电子输运的动态交互机制。

在CMO/HfO_xReRAM中，阻变行为源于氧空位（V_O²⁺）在CMO层中的迁移与重新分布，其浓度C_V作为状态变量用于描述记忆效应。离子迁移电流密度J_Ion采用Mott-Gurney hopping模型描述，迁移速度v_Ion与电场、温度及缺陷浓度密切相关。为更真实地反映器件行为，模型引入了外部寄生电阻、离子迁移动力学修正以及随缺陷状态演变的物理参数，并纳入电子输运的随机涨落。

电子传导受限于CMO层，采用陷阱辅助隧穿（TAT）机制建模，其电导与缺陷浓度、陷阱间距a_e和激活能ΔE_A密切相关。热动态部分采用集总电容模型，通过热容C_th和热阻R_th描述焦耳热效应。

阻变动态与模拟行为仿真验证

准静态电流-电压特性

通过模拟与实验对比，模型成功复现了十圈逆时针方向的准静态I–V曲线。进一步提取的离子迁移速度剖面显示，SET和RESET过程中离子迁移表现出明显不对称性，但在切换起始点具有相同的迁移速度（约1.1 nm/s）。计算表明，无论SET还是RESET，平均迁移位移约为6 nm，说明阻变由同一区域内氧空位的双向迁移所主导。

缺陷状态的调制直接影响电子陷阱态密度N_T，进而影响器件电导。高阻态（HRS）时CMO层中氧空位部分耗尽，低阻态（LRS）时则重新填充，导致a_e和ΔE_A参数发生变化，从而实现渐变的电导调节。

开关动力学与编程时间-温度权衡

通过模拟单脉冲SET编程响应，研究了开关时间Δt_SET与编程电压V_SET之间的关系。实验与仿真结果高度一致，显示出强烈的非线性特性（约175 mV/dec），这一特性有利于实现快速、非易失的存储操作，并避免低电压读取时对状态的干扰。研究还发现，高编程电压配合短脉冲可实现低能量操作，但需权衡开关区域内的温度升高，以避免器件性能退化。

模拟双向累积电导响应

在类脑计算应用背景下，模拟双向电导更新特性至关重要。通过施加交替的正负脉冲序列（V_P+和V_P-），器件表现出累积性电导变化，并可在对称点（SP）附近稳定振荡。模型通过引入参数β的随机涨落，成功复现了实验观察到的电导分散性，其涨落幅度与缺陷浓度成反比。

记忆态平衡与对称点分析

对称点的物理起源

通过动态路径图（DRM）方法，研究了在准静态和脉冲响应下记忆态的平衡特性。研究表明，SET和RESET的状态变量通量在某一缺陷状态处相等，即达到平衡点（Eq.P）。该点与脉冲响应下获得的对称点缺陷状态一致，说明不同输入域下存在统一的平衡条件。

跨输入域的记忆态映射

基于平衡点与对称点的等价性，提出了一种跨输入域的记忆态映射方法。通过调整脉冲幅度，可调节电导窗口内对称点的位置（以Sk_SP量化），进而优化器件的对称特性。

Tiki-Taka算法下的训练仿真与脉冲幅度调控

利用最早的Tiki-Taka算法（TTv1），研究了脉冲幅度调控对训练性能的影响。通过调整正脉冲幅度V_P+，获得了不同对称性（Sk_SP = 50%, 57%, 68%）的电导响应曲线。训练仿真结果表明，对称性越高（Sk_SP越接近50%），训练收敛速度越快，最终识别准确率越高。高度偏离的对称点会导致训练不收敛，而通过脉冲优化可在不过度增加数字开销的情况下实现接近浮点的训练性能。

结论与展望

本研究提出的紧凑模型成功描述了CMO/HfO_x基ReRAM的模拟阻变行为，涵盖准静态、瞬态及随机特性，揭示了对称点平衡的物理机制。该模型可用于指导器件优化与电路设计，支持阻变存储器在神经形态计算与非易失性存储中的应用。未来工作将集中于模型在SPICE等标准电路仿真工具中的集成，进一步推动其在实际集成电路中的应用。

实验方法

电学表征采用Agilent B1500A半导体参数分析仪进行准静态I–V扫描，脉冲响应使用NI PXIe-5451任意波形发生器和PXIe-5164示波器测量。器件制备采用TiN/TaO_x/HfO_x/TiN堆叠结构，尺寸为200 nm × 200 nm。