阻变存储器(RRAM)入门介绍

!3
分较为成熟的工工作以及较为公认的理论，并且对RRAM的应用用前景作
!出合理的评价。
2 RRAM工工作机制及原理探究
2.1 RRAM基本结构
存储器的排布一一般是以矩形阵列形式的，矩阵的行行和列分别称为 字线和位线，而而由外围连线控制着字线和位线，从而而可以对每个单 元进行行读和写操作。对于RRAM而而言言，其存储器矩阵可以设计为无无源 矩阵和有源矩阵两种。无无源矩阵单元相对而而言言设计比比较简单，如图 3（a）所示示，字线与位线在矩阵的每一一个节点通过一一个阻变元件以 及一一个非非线性元件相连。非非线性元件的作用用是使阻变元件得到合适 的分压，从而而避免阻变元件处于低阻态时，存储单元读写信息的丢 失。非非线性元件一一般选择二二极管或者其他有确定非非线性度的元件。 然而而，采用用无无源矩阵会使相邻单元间不可避免地存在干干扰。为了避 免不同单元之间信号串扰的影响，RRAM
2.4.2价态变化记忆效应………………………………………………15
2.4.3热化学记忆效应…………………………………………………19
2.4.4静电/电子子记忆效应………………………………………………23
2.4.5相变存储记忆效应………………………………………………24
2.4.6磁阻记忆效应……………………………………………………26
!
! 图3. RRAM存储器矩阵的单元电路图。图(a)为无无源电路，图(b)为有源电路。
矩阵也可以采用用有源单元设计，如图3（b）所示示。由晶体管来控制 阻变元件的读写与擦除信号可以良好隔离相邻单元的干干扰，也与 CMOS工工艺更加兼容。但这样的单元设计无无疑会使存储器电路更加复 杂，而而晶体管也需要占据额外的器件面面积。
2.3 RRAM的阻变行行为分类
RRAM的阻变行行为主要体现在其电流-电压曲线上。根据大大量研究 经验表明，基于不同材料的RRAM器件，其器件特性是有很多细节上 的差别的，不过粗略地按照电流-电压曲线来区分，RRAM的阻变行行 为可以分为单极型（Unipolar）和双极型（Bipolar）两大大类。这主 要是由阻变行行为出现时施加的电压极性及大大小小所区分的。而而具体引 起阻变行行为的本质原因并没有非非常确凿的定论，我们会在随后的章
! !
!
! !
!
阻变随机存储器（RRAM）
引言言： 阻变随机存储器（RRAM）是一一种基于阻值变化来记录存储数据信息 的非非易失性存储器（NVM）器件。近年来， NVM器件由于其高高密 度、高高速度和低功耗的特点，在存储器的发展当中占据着越来越重 要的地位。硅基flash存储器作为传统的NVM器件，已被广广泛投入入到 可移动存储器的应用用当中。但是，工工作寿命、读写速度的不足足，写 操作中的高高电压及尺寸寸无无法继续缩小小等瓶颈已经从多方方面面限制了 flash存储器的进一一步发展。作为替代，多种新兴器件作为下一一代 NVM器件得到了业界广广泛的关注[1、2]，这其中包括铁电随机存储 器（FeRAM）[3]、磁性随机存储器（MRAM） [4]、相变随机存储器 （PRAM）[5]等。然而而，FeRAM及MRAM在尺寸寸进一一步缩小小方方面面都存 在着困难。在这样的情况下， RRAM器件因其具有相当可观的微缩 化前景，在近些年已引起了广广泛的研发热潮。本文文将着眼于RRAM的 发展历史、工工作原理、研究现状及应用用前景入入手手，对RRAM进行行广广泛
非非晶硅[24]；以及有机介质材料[25]。RRAM的研究应用用还有广广阔的
空间值得人人们去研究探寻，还有许多困难与挑战亟待人人们去积极面面
对。近几几年，国内外研究者陆续开始对RRAM研究的现状进行行综述总
结[26-29]，为进一一步的探究工工作打下了基础。由于RRAM研究仍处于
共识与争论并存、理论尚未统一一的研究阶段，本文文旨在总结目目前部
!为具有良好的应用用前景的原因之一一。
!
图4. 应用用于RRAM器件研究的MIM结构。通过在顶电极和底电极之间施加电压 信号来研究RRAM器件的工工作情况。
!
2.2 RRAM器件参数
基于以往对DRAM、SRAM、Flash等存储器器件较为成熟的研究经 验，RRAM器件的参数可以如下归纳总结并加以展望[28]： 1.写（Write）操作参数Vwr，twr
Vwr为写入入数据所需电压。与现代CMOS电路相兼容，RRAM的Vwr 的大大小小一一般在几几百mV至至几几V之间，这相对于传统需要很高高写入入电压 的Flash器件来说有较大大优势。twr为写入入数据时间所需时间。传统器 件中，DRAM、SRAM和Flash的twr分别为100ns、10ns和10us数量 级 。 为 了 与 传 统 器 件 相 比比 显 示示 出 优 势 ， R R A M 的 t w r 期 望 可 以 达 到
NVM器件的工工作寿命希望达到1012周期。因此，RRAM的器件寿命期 望可以达到同等甚至至更长久。
5. 保持时间tret tret指存储器件长久保存数据信息的时间。对RRAM而而言言，数据一一般 需要保持10年甚至至更久，而而这过程中也需要考虑温度以及持续的读 操作电压信号的影响。
以上介绍了RRAM的几几个主要性能参数。各个参数之间看似相互 独立立，但事实上各项之间却有着相互制约的关系，比比如Vrd与Vwr的比比 值事实上被tret和trd所限制[28]。故而而寻求高高密度、低功耗的理想 RRAM器件，需要从各个性能参数的角角度共同考虑，寻求最佳的平衡 点。
!5
100ns数量级甚至至更小小。
2. 读（Read）操作参数Vrd，Ird，trd Vrd为读取数据所需电压。为了避免读操作对阻变元件产生生影响，
RRAM的Vrd值需要明显小小于Vwr。而而由于器件原理限制，Vrd亦不能低 于Vwr的1/10。Ird为读操作所需电流。为了使读取信号能够准确快速 地被外围电路的小小信号放大大器所识别，RRAM的Ird不能低于1uA。trd 为读操作所需时间。RRAM的trd需要与twr同等数量级甚至至更小小。
4
2.2 RRAM器件参数………………………………………………………………
6
2.3 RRAM的阻变行行为分类………………………………………………………
7
2.4 阻变机制分类………………………………………………………………9
2.4.1电化学金金属化记忆效应…………………………………………11
3.开关电阻比比值 ROFF/RON ROFF和RON分别为器件处于关态与开态时的元件阻值。尽管在
MRAM中，大大小小仅为1.2~1.3的ROFF/RON亦可以被应用用，对RRAM的 ROFF/RON一一般要求至至少达到10以上，以减小小外围放大大器的负担，简 化放大大电路。
4.器件寿命 器件寿命指器件能够正常维持工工作状态的周期数目目。一一般而而言言，
2.4.7铁电隧穿效应……………………………………………………28
2.5 RRAM与忆阻器……………………………………………………………30
3 RRAM研究现状与前景展望………………………………………………………
33
参考文文献……………………………………………………………………………36
!1
!
图1. T. W. Hickmott报道的基于Al/Al2O3/Au结构的电流-电压曲线，其中氧化层
! 的厚度为300Å，阻变发生生在5V左右，开关电流比比约10:1[6]
Hickmott对阻变现象的首首次报道立立刻引发了广广泛的兴趣，之后在十十 九世纪60年代到80年代涌现了大大量的研究工工作，对阻变的机理展开 了广广泛的研究。除了最广广泛报道的金金属氧化物，基于金金属硫化物 [7]、无无定形硅[8]、导电聚合物[9]、异质结构[10]等新材料作为介质 层的结构也表现出了阻变性质。这些研究工工作也很快被总结归纳 [11、12]。早期的研究工工作主要是对于阻变的本质和机理进行行探 究，以及对阻变机理应用用于RRAM技术的展望。但此时半导体产业对 新型NVM器件的研究尚未引起广广泛重视，并且在对阻变现象的解释 过程中遇到了很多困难，没有办法达成广广泛的共识，故而而在80年代 末期，对阻变的研究一一度趋于平淡。90年代末期，摩尔定律的发展 规律开始受到物理瓶颈的限制，传统硅器件的微缩化日日益趋近于极 限，新结构与新材料成为研究者日日益关注的热点。与此同时，研究 者开始发现阻变器件极为优异的微缩化潜力力及其作为NVM器件具有
RRAM中的阻变元件一一般采用用简单的类似电容的金金属-介质层-金金属
!4
（MIM）结构，由两层金金属电极包夹着一一层介质材料构成。金金属电 极材料的选择可以是传统的金金属单质，如Au、Pt、Cu、Al等，而而介 质层材料主要包括二二元过渡金金属氧化物、钙钛矿型化合物等，这在 后文文将会更加详细地讨论。由于对RRAM器件的研究主要集中在对电 极材料以及介质层材料的研究方方面面，故而而往往采用用如图4所示示的简单 结构，采用用传统的硅、氧化硅或者玻璃等衬底，通过依次叠合的底 电极、介质层、顶电极完成器件的制备，然后于顶电极与底电极之 间加入入可编程电压信号来测试阻变器件的性能，这样的简单结构被 大大多数研究者所采纳。而而简单的制备过程和器件结构也是RRAM被认
!而而概括性地介绍。
1 RRAM技术回顾
虽然RRAM于近几几年成为存储器技术研究的热点，但事实上对阻变现 象的研究工工作在很久之前便已开展起来。1962年，T. W. Hickmott 通过研究Al/SiO/Au、Al/Al2O3/Au、Ta/Ta2O5/Au、Zr/ZrO2/Au以及 Ti/TiO2/Au等结构的电流电压特性曲线，首首次展示示了这种基于金金属介质层-金金属(MIM)三明治结构在偏压变化时发生生的阻变现象[6]。如 图1所示示，Hickmott着重研究了基于Al2O3介质层的阻变现象，通过 将阻变现象与空间电荷限制电流理论、介质层击穿理论、氧空洞迁 移理论等进行行结合，尝试解释了金金属氧化物介质层阻变现象的机 理。虽然在这篇文文献报道中，最大大的开关电流比比只有30:1，但本次 报道开创了对阻变机理研究的先河，为之后的RRAM技术研发奠定了 基础。
目目 录
!
引言言……………………………………………………………………………………1
1
R R A M 技术回
顾………………………………………………………………………1
2
R R A M 工工 作 机 制 及 原 理 探
究…………………………………………………………4
2.1 RRAM基本结构………………………………………………………………
关于阻变(resistive switching)每年发表文文章数
500
375ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
250
125
0
!
2000
2002
2004
2006
2008
2010
图2. 由Web of Science统计的每年关于阻变(resistive switching)词条发表的文文
! 章数[14]。
变解释理论已被大大多数研究者接受，尤以导电细丝理论最被广广泛接
!2
可观的应用用前景[13]，因而而引发了对基于阻变原理的RRAM器件的广广 泛研究。 如图2所示示，近十十年来，由于RRAM技术的巨大大潜力力，业界对非非易失 性RRAM的研究工工作呈逐年递增趋势[14]。日日益趋于深入入而而繁多的研 究报告，一一方方面面体现着RRAM日日益引起人人们的重视，而而另一一方方面面，则 体现着其机理至至今仍存在的不确定性，仍需要大大量的研究讨论。尽 管自自从对阻变现象的初次报道以来，阻变器件结构一一直沿用用着简单 的金金属-介质层-金金属（MIM）结构，且对于所有材料的介质层，其电 流-电压特性所表现的阻变现象几几乎一一致，但是对于不同的介质层材 料，其阻变现象的解释却各有分歧。总体而而言言，基于导电细丝和基 于界面面态的两种阻
纳。由于基于细丝导电的器件将不依赖于器件的面面积，于是材料的
多样性配以细丝导电理论，愈加拓宽了RRAM技术的应用用前景。截至至
今日日，研究较为成熟的RRAM介质层材料主要包括：二二元过渡金金属氧
化物（TMO），如NiO[15,16]、TiO2[17]、ZnO[18]；固态电解质，
如Ag2S[19]、GeSe[20]；钙钛矿结构化合物[21,22]；氮化物[23]；