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面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的车规级RRAM阻变存储器HfO₂介质材料与1T1R单元
资料介绍
面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的车规级RRAM阻变存储器HfO₂介质材料与1T1R单元设计
摘要
RRAM（阻变随机存储器）凭借其结构简单、CMOS工艺兼容性好和单元面积小的优势，成为车载存算一体芯片的重要候选存储介质。然而，RRAM器件在车规级温度范围（-40℃至125℃）内的阻值波动和保持力退化是制约其车载应用的核心瓶颈。本文针对车载存算一体芯片的应用需求，系统分析了HfO₂基RRAM的介质材料优化方案和1T1R单元设计，通过TiN/HfO₂/TiN叠层结构优化、氧空位浓度调控和Al掺杂技术，将器件的阻值波动降低至±5%以内，在125℃下的数据保持时间超过10年，耐久性达到10^6次循环，为车载存算一体芯片提供了高可靠性的RRAM器件方案。
一、RRAM器件的基本原理
1.1 导电细丝机制
RRAM的阻变机制基于介质层中导电细丝（CF）的形成和断裂。在Set过程中，施加的正电压在HfO₂介质层中形成氧空位导电细丝，器件从高阻态（HRS）切换为低阻态（LRS）。在Reset过程中，施加的负电压使导电细丝断裂，器件回到高阻态。
1.2 车规级挑战
导电细丝的形成和断裂具有随机性，导致器件的阻值存在波动。在高温下，氧空位的扩散加速，导电细丝容易断裂，导致数据保持力下降。在车载场景中，-40℃至125℃的宽温域要求器件的阻值波动控制在±10%以内，保持力满足125℃下10年的要求。
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| 面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的车规级RRAM阻变存储器HfO₂介质材料与1T1R单元设计.docx | 38K |
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