SiO2的阻变存储特性测试

SiO2的阻变存储特性测试

信息存储一直伴随着人类历史发展，如今阻变式存储器在众多存储器的比较中显现出了巨大优势，有望成为新一代的存储器。本文比较了阻变式存储器与其他存储器的优缺点，阐述了阻变式存储器的工作机制和储存结构；对阻变式存储器的前景进行了展望。

第一章绪论

1.1 引言

信息存储的发展一直伴随着人类历史的发展。从结绳记事到甲骨文，再到现代的磁介质存储、光介质存储和纳米存储。信息存储技术一直在向着大容量、高速度、小尺寸和长寿命等特性发展。在如今的大数据信息时代，人们对更加优秀的存储器提出了迫切的需求。目前的RAM（随机存取存储器）主要分为三种：静态RAM、动态RAM和闪存。静态RAM集成度低、功耗大，动态RAM集成度高，但二者断电后将会丢失信息，并不能永久保存信息；闪速存储器能永久储存信息但速度很慢。在迫切的需求下，一些新兴的存储器被提出了。主要有磁阻存储器、铁电存储器、相变存储器和阻变存储器。近几年，研究者们把注意力主要集中在新型的阻变存储器，基本原理为利用高阻态和低阻态来存储0和1，并且这两种状态能够被控制和转换。

Resistive RAM，简称RRAM，中文翻译为阻变存储器，是一种具有记忆功能的非线性电阻。结构为上下两层为金属电极层，中间为氧化物绝缘层。氧化物在上下两层电极电压作用下会呈现出电阻转变特性。RRAM具有高速、低压低功耗、结构简单、可高密度集成、数据保存时间长、尺寸小等优点。还与传统的CMOS工艺兼容。

1.2 新型非挥发性存储器

1.2.1 铁电存储器（FRAM）

铁电材料具有自发极化的特性，在外加电场的作用下可以改变极化方向。当施加正反电场再撤去后，会剩余两种极化状态[1]，可以用此来代表0和1。工作

原理如图1所示：

图1

铁电存储器的优点为：功耗较低、读写速度快、读写次数高、断电后资料可以储存下来。但因为存储密度低、有污染等缺点所以并无良好的发展前景。

1.2.2 磁致电阻存储器（MRAM）

磁致电阻存储器储存信息利用的是电子自旋方向的不同代表0和1。早期的磁致电阻存储器利用的是巨磁阻效应（GMR）[2]。由于巨词组结构的驱动电流大，无法达到高密度集成的要求，研究人员重新设计了结构——磁性隧道结（MTJ）[3]，其结构如图2所示，

图2

两者最大的区别是MTJ材料两层磁性材料间的隔离层为绝缘层，而GMR材料的隔离层为金属层。由于MTJ材料绝缘性好，所以降低了驱动电流。由于磁性材料的磁性与温度紧密相关，当温度超过其居里温度后，材料会失去磁性，所以磁致电阻存储器离大规模生产还有一定距离。

1.2.3 相变存储器（PRAM）

因为同样的材料在晶态和非晶态是电阻值不同，可以利用这个性质来储存信息[4]。将具有可逆结构的硫化物和硫化合金等物质作为相变物质，当相变物质受

到热能激发会产生快速可逆相变。其结构如图3所示，

图3

相变存储器在擦除过程中需要较大的电流，所以存储密度较低。

1.2.4 阻变式存储器（RRAM）

阻变式存储器是指材料在电场作用下可以再高阻态和低阻态间转换，利用高阻态和低阻态代表0和1来储存性息。阻变式存储器分为两种：

1.单极性。与电场方向无关。如图4所示

图4

2.双极性。在不同极性电场中工作。在正向电压下，电阻从低阻态转换为高阻态；在反向电压下，电阻从高阻态转换为低阻态[5]。如图5所示，

图5

与其他存储器相比，阻变式存储器具有高速、低压低功耗、结构简单、可高密度集成、数据保存时间长、尺寸小等优点。

表1 各种存储器的性能

第二章阻变存储器

2.1 RRAM的性能

现如今主流存储器flash存储器在工艺上已接近极限。而新型的RRAM存储器因具有结构简单、尺寸小、读写速度快等优点越来越受到人们的关注。其中阻变式存储器的性能更是人们关注的重点。

2.1.1 读写操作电压

读写操作电压是指改变组织状态所需的最小电压。操作电压应在1V-2V之间，比Flash的操作电压低，具有优势。

2.1.2 操作速度

操作速度是指改变组织所需最少的时间。Flash技术的操作速度在μs水平，而RRAm技术已经达到纳秒级别。

2.1.3 器件寿命

Flash器件的寿命在106 左右，RRAM的使用次数应在这个以上。

2.1.4 信息存储时间

对于RRAM器件，信息存储时间至少要在10年以上。

2.2 RRAM的工作机理

RRAM的材料不同工作机理就不同，所以RRAM的工作机理有多种解释。主要分为4类：P-F（Poole-Frenkel）效应、S-V（Simmons-Verberder）理论、Fliament 理论和SCLC（space charge limited current）。

2.2.1 P-F效应

P-F效应又称为场助热电力效应（Filed-assisted thermal ionization），是一种与陷阱有关的发射机制，与肖特基发射效应类似[6]。P-F效应的本质是电子浓度的变化，不是电子迁移率的改变。因为绝缘体材料在受污染和发生分解时会带来大量陷阱，这些陷阱在体内会产生类似界面处的库仑势垒，限制漂移电流和扩散电流。相邻陷阱间的距离较大很难发生隧穿现象，所以只能通过陷阱释放俘获电荷来改变导带中电子浓度[7]。

图6

施主效应的P-F效应（

d

E为施主能级，φ∆为势垒降）

由图6可以看出电荷跃迁出的几率增大，导致电导增大，电流上升。

I-V的特性曲线：)

2

ex p(

2

1

0kT

V

J

J PF

β

=

式中

K

e

PF

3

πε

β=，e为电子电量，

ε为真空介电常数，K为相对介电常数，0

J为电流密度，V为外加电压，k为玻尔兹曼常数，T为温度。

产生P-F效应的前提是：在界面处形成非阻挡接触。因为势垒很薄，即使是阻挡接触，也可以用隧穿的方式向体内注入电子。还需具备两种状态：材料中存在大量施主和受主中心，陷阱是正电性的[8]。

2.2.2 S-V理论

S-V理论是由Simmons和Venderber在1967年提出的，解释了SiO薄膜的负阻现象[9]。在进行电化学反应时，金原子会在电场的作用下，从电极扩散到SiO 层，形成深能级电子陷阱局域态，如图7所示，

图7