隨著人工智能和物聯網的興起，數據呈現爆炸式增長。研發具有更快訪問速度和更高存儲密度的存儲器成為必然。阻變存儲器因具有簡單兩端結構易于三維集成、極好的可微縮性、速度快以及低功耗等優勢受到廣泛關注。
為實現阻變存儲器的高密度集成，三維交叉陣列結構成為最佳選擇。但三維交叉陣列中存在串擾效應，采用具有高非線性的自選通阻變存儲器可有效抑制串擾問題。自選通阻變存儲器的非線性越高，越有利于抑制串擾；開態電流越高，越有利于提升訪問速度。但目前提出的自選通阻變存儲器中，高開態電流和高非線性難以同時實現。
針對這一問題，微電子所劉明院士團隊提出了一種基于TiN/ TiOxNy/TiOx/NbOx/Ru結構的非細絲型自選通阻變存儲器，并在16層三維垂直結構上實現。該存儲器實現了50倍開態電流密度的提升，并達到了高非線性(>5000)。TiOx內部峰狀勢壘的形成有效提升了器件的非線性。第一性原理計算結果表明Nb2O5的氧空位聚合能為正值，這表明氧空位不容易發生聚集，器件可在較高電流下工作而不會發生擊穿，從而實現高電流密度。由于電流的提升，該器件的讀延遲縮短至18ns。該工作為實現具有高速、高密度的3D VRRAM提供了可能途徑。
該成果以題為“16-layer 3D Vertical RRAM with Low Read Latency (18ns), High Nonlinearity (>5000) and Ultra-low Leakage Current (~pA) Self-Selective Cells”入選2023 VLSI。微電子所博士生丁亞欣為第一作者，微電子所羅慶研究員和華中科技大學薛堪豪教授為通訊作者。
圖(a) 16層三維垂直RRAM的TEM截面圖
圖(b) I-V特性曲線
綜合信息