无导电细丝体RRAM的紧凑模型

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Compact Model of Filament-Free Bulk RRAM

　　

摘要：

无细丝体切换阻变随机存取存储器（b-RRAM）在未来的存内计算应用中具有巨大的前景。b-RRAM解决了细丝型RRAM器件的若干缺陷，包括高电压形成步骤、差异大、导通态电阻低和功耗高等问题。为了探索新设计理念，如用于存内计算的CMOS-RRAM集成和可重构神经形态系统，必须开发适用于电路仿真器的鲁棒b-RRAM紧凑模型，以便在系统层面评估性能。在本文中，我们提出了一种基于氧空位（VO）迁移的物理基础紧凑模型。该模型描述了电场驱动的V_O迁移以及由此引起的富V_O区域和贫V_O氧化物区域之间的界面移动。该模型通过三层（Al2O3/TiO2/TiOx）b-RRAM器件（Al顶电极）的实验数据进行了验证。它成功地复现了直流开关特性、器件电阻的面积缩放、温度相关的I–V特性以及脉冲开关动力学。通过引入界面位置相关的激活能Ea(x)，该模型捕捉到了各种脉冲条件下观察到的开关饱和行为。模型与实验结果之间的良好一致性表明，所提出的模型能够实现精确的器件建模，因此适用于基于b-RRAM阵列的大规模电路仿真。阵列级仿真进一步证实了从单个单元到100,000单元交叉阵列的可靠收敛和高效运行时间，证明了该模型适用于大规模电路和系统级仿真。

一、引言

无细丝体切换阻变随机存取存储器（B-RRAM）已被提出作为传统RRAM器件的无细丝替代方案，提供无形成操作、多级电导态、较低的差异，适用于神经形态计算和存内计算应用 [1]。最近，我们证明了一种具有Al顶电极的三层（Al₂O₃/TiO₂/TiO）b-RRAM器件在M电阻范围内可实现具有高保持力和耐久性的无细丝体切换 [2]、[3]。b-RRAM的典型器件结构由宽禁带隧道势垒介电层和具有氧空位梯度的金属氧化物组成，后者作为储层（图1）。氧空位分布的调制导致电阻切换 [4]、[5]、[6]。对于我们的三层（Al₂O₃/TiO₂/TiO）b-RRAM器件，我们有意在宽禁带介电层（Al₂O₃）和V_O储层（TiO）之间引入一层TiO₂，以将切换限制在TiO₂/TiO_x的边界处，从而防止软击穿和贯穿Al₂O₃层的细丝形成。Al₂O₃层的结构完整性对于在M电阻级别实现可靠的电阻切换至关重要。图1.

Al₂O₃/TiO₂/TiO_x/Al b-RRAM器件中的无细丝切换机制。(a) 通过STEM-EELS测量的氧化物层间原子氧浓度。(b) 整个氧化物体积中相应V_O浓度分布的示意图，在TiO_x中达到峰值并在TiO₂层内逐渐降低。(c) SET过程的示意图。(d) RESET过程的示意图。(e) TiO₂/TiO_x界面移动的界面位置相关的E_a(x)。