RRAM器件的阻变机制

RRAM器件的阻变机制理想的非挥发性数据存储器（NVM）应该呈现的特性，如高密度和成本低、速度快的写入和读出访问、低能量的操作，并且相对于高性能续航能力（写循环使用性能）和良好的保留特性。

今天，硅基闪存存储设备是最突出的NVM，因为它们的高密度和低制造成本。

但是，Flash遭受低续航能力、低写入速度、较高的写操作电压。

此外，在不久的将来，进一步缩放，即，继续在增加的Flash密度会碰到物理上的限制。

铁电随机存取存储器（FeRAM）和磁阻随机存取存储器（MRAM）覆盖了缝隙市场的特殊专用应用。

但是，达到和如今Flash相同密度时，铁电磁体随机存取存储器（FeRAM）和磁阻随机存取存储器（MRAM）在扩展性能上存在技术和固有缺陷等问题。

为了克服当前的NVM技术上的问题，对各种替代存储器技术进行了探讨。

最值得一提的是，基于电可切换电阻的NVM已经吸引了相当大的注意。

文章将覆盖特别有趣的阻变随机存取存储器（RRAM）课程，氧化还原反应和纳米离子迁移过程发挥了关键作用。

应该指出的是，尽管文章中叙述了很多细节问题，很多变种仍然完全未知的，我们目前所掌握的更多的是工作假设，而不是资金充足的物理模型的特点。

第一章绪论存储器应用于各种各样的电子设备产品中，在计算机系统中主要用来存储程序和数据。

计算机所需要的全部信息，包括输入的最原始数据、需要输出的数据、计算机程序、中间运行出来的结果和最终运行出来的结果都会保存在数据存储器中。

存储器采用了两种稳定状态来分别表示“0”和“1”。

目前，存储器所采用的材质主要是半导体器件和磁性材料。

存储器器件可以分为两类：挥发性存储器和非挥发性存储器。

挥发性存储器的特点是断电后所存储的信息全部丢失；相反，非挥发性存储器在断电的情况下，仍能保持所存储的数据信息。

选择挥发性存储器的一个重要原因是读取访问速度快。

尽管非挥发性存储器可以在断电时保存数据信息，但是写入数据(一个字节、页或扇区)的时间长。

易失性存储器可以进一步分为静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器（DRAM）两大类。

DRAM具有较低的单位容量价格的特点，所以被大量的采用作为系统的主记忆。

而且DRAM的结构特点使得它的存储密度高，存储容量大。

但是DRAM需要通过不断地更新来保持数据，因此功耗相对比较大。

与DRAM相比，SRAM具有较快的存取速度，但是SRAM的存储单元具有复杂的6T结构，使得SRAM的存储密度较低。

按照技术的差异，可以将存储器芯片细分为EPROM、EEPROM、SRAM、DRAM、FLASH、MASK ROM和FRAM等。

存储器技术是一种不断进步的技术，伴随着各种各样的专门应用不断的提出的新要求，各种新的存储器技术也是层出不穷，不断取代传统的技术。

因为开发新技术的目的就是为了消除或减弱某方面的存储器产品的不足之处。

伴随着材料物理以及半导体物理技术的快速发展，对于非挥发性存储器的最终发展目标为高密度、低制造成本、擦写速度快、功耗低等等。

对于目前的主流非挥发性存储器FLash而言，遭受到了物理上的技术瓶颈，FLASH存储器件尺寸的缩小过程中遭受操作电压太低、擦写速度慢、功耗高等缺陷[2～4]。

有各种候选相互争夺下一代存储器。

例如，磁性随机存取存储器（MRAM）和铁电随机存取存储器（FRAM），它使用磁隧道结和铁电材料的可逆偏振，已吸引了众多的注意，并享有先进的开发[5~7]。

然而，MRAM和FeRAM都面临在缩放严重的问题。

在这种情况下，一个新的候选出现了：电阻转变随机存取存储器（MRAM），其中，所述存储单元具有的理论最小面积4F2（F为在给定的过程中的特征尺寸）[8]，而且电阻转变型存储器（RRAM）具有很多FLASH所不具备的优势，这引起了众多科研人员极大的兴趣并投入到此领域的研究。

1962年，Hickmott最先报道一系列的二元氧化物的电阻转变现象[9]。

此后，在许多材料中施加的电场下的迟滞电阻转变行为已经被报道[10～11]。

因此，电阻转变现象高研究活动的第一阶段出现在20世纪70年代和80年代。

最早期的研究侧重于探讨和揭示电气刺激电阻转变的物理机制。

如微电子加工技术的发展，在九十年代末研究人员认为电阻转变行为必须被用作在最终NVM，带来电阻转变的第二个研究飙升的潜力[12~14]。

第二章RRAM概述2.1 RRAM基本结构RAM中的存储器单元被组织成矩阵。

矩阵的行和列分别被称为字线和位线，连接到电子放大器，该放大器是进行写和读操作的矩阵的外围设备。

在最简单的情况下，电阻转变存储器单元可以被组织在无源交叉矩阵，只是在每个节点上连接字线和位线(图2.1）。

为了避免所谓寄生侧路径的问题，即，在其低电阻状态下旁路信号通过存储单元，与特定的非线性序列的元素必须在每个节点被添加。

取决于存储单元的转变方案中，这些可以是二极管或压敏电阻型元件具有非线性的一特定程度。

可替代地，一个RAM被组织有源矩阵中，该矩阵由每个节点上的选择晶体管组成，如果它未被寻址，这个晶体管则分离了的存储单元，。

这个技术显著减少串扰和干扰矩阵中的信号，在晶体管触点的足迹所需的一些额外的面积为代价。

在RRAM的电阻转变存储器单元通常由一电容器形的MIM结构，即，具有简单的金属/阻变存储层/金属（MIM）三明治结构，两个（可能不同的材料）电子导体‘M’夹着一层绝缘体或者是电阻材料‘I’。

在本次审查的框架，材料‘I’是氧化物或更高的硫族化合物，通常表现出一定的离子导电性。

这些MIM单元可以在至少两个不同电阻状态之间电切换。

初始电周期中，通常需要以激活切换属性之后，通过施加适当的编程或写入电压脉冲V WR，在其高电阻状态（OFF）可以被设置为低电阻状态（ON）或RESET回到OFF状态。

在文献中，在RESET有时被称为“擦除”操作。

图2.1 在一个电阻随机存取存储器(RRAM)的矩阵中的存储节点的电路图，其中RS表示电阻转变单元。

一）无源矩阵，其中的NLE是与特定的非线性串行元件。

二）带选择晶体管T的有源矩阵.2.2 RRAM电阻转变行为RRAM的基本特征是它的两个不同电阻状态，即高电阻状态（HRS）和低电阻状态（LRS），它可以通过一个适当的脉冲从一个状态切换到另一个状态。

一般，这改变了器件的电阻状态，从HRS到LRS被称为一个“置位”过程，而相反的过程被定义为“复位”的操作。

特定电阻状态（HRS或LRS）可以被保持在电应力被取消之后，其展示了RRAM的非易失性性质。

HRS和LRS的电阻可以在一个小的电压下被读取，从而不影响电阻状态。

根据置位和复位进程之间的电气极性的关系，该电阻切换行为可以简单地分为两类：单极性和双极性，这表现出不同的电流 - 电压（I-V）的外观。

如图2.2（a）和（b）所示。

图2.2 单极（a）和双极（b）在半对数标度范围内的典型I-V曲线(所施加的电压是在几伏特的范围，和采用限制电流（CC）以避免设备的永久性电击穿）在单极RRAM中，转变方向不依赖于所施加的电压的极性。

该设备切换从HRS到LRS在高电压（V SET）。

图2.2（a）展示出了单极电阻转变在对数标度的典型的I-V曲线。

正如可以看到的，该设备在高电压（V SET）下从HRS切换到L RS在高电压（V SET）。

随后，该系统在电压（V RESET）比V SET低的情况下返回到HRS。

在设定的过程中，限制电流（CC）经常被用来避免永久击穿，而在复位过程中这是不必要。

其表现出单极I-V特性的设备通常具有对称结构，这意味着和顶部电极（TE）使用相同的材料作为底部电极（BE）。

这种类型的电阻转变行为常常在二元氧化物体系中可以观察到，如Pt/ TiO2/Pt[15～16]，铂/氧化锌/铂[17]，铂/氧化镍/铂[18-21]和Al/ZrO2/ Al[22]。

单极RRAM的转变机制被认为是在电压刺激下形成的导电纤维使设备进入LRS和导致灯丝断裂的焦耳热效应切换回HRS。

由于焦耳热效应不依赖于电流的极性，这种器件的显示单极切换行为。

CH-ANG等人研究了氧化镍膜在不同温度下的开关特性[20]，并报告说，该机制是由焦耳热效应来控制,导电细丝的稳定性是由焦耳热和热耗散之间的竞争的控制。

与此相反，双极RRAM的转换方向取决于所施加的电压的极性，如在图2.2（b）中描绘。

复位电压的极性与置位电压的极性相反，LRS（HRS）不受该电信号的影响，它的极性与V SET（V RESET）相同。

双极开关的器件结构通常是不对称的。

例如，不同的材料被用作TE和BE。

在单极电阻转变的一个大问题是，V SET可能与V RESET发生重叠，由于V SET和V RESET有着相同的极性。

显然，这样的麻烦在双极电阻转变中是不存在的，因为在置位和复位的过程中电压的极性相反。

双极RRAM已广泛瞄准可重构的大规模集成电路[23]，准备在非易失性转变方面做调查。

一些不同的机制中涉及双极转变的RRAM，这导致了各种转变特性。

正如LIU等人关于CeOx薄膜的报告[24]，在某些情况下是可以避免限制电流的。

DO等人在TiO2膜上所观察到的逆时针和顺时针转变的方向[25]，它取决于铝电极的沉积顺序，电铸工艺通常需要激活化学计量膜中的器件[26]，而有些系统是电铸自由[27]。

所有这些逆转现象意味着电阻转变的机制是对材料的晶体质量，加工技术和设备结构等等敏感。

揭开这些因素和设备属性之间的关系，这对引导RRAM设备优化来说是非常迫切的。

2.3 RRAM特性参数基于当今高密度非易失性存储器，如闪存，并考虑到对未来15年技术比例预测电路的要求，可以收集一些关于RRAM单元的要求：写操作写入电压V WR应在几百毫伏到几伏的范围内，从而得以兼容CMOS（它的优势就是提供超过Flash的高编程电压）。

写入电压脉冲V WR的长度期望为<100ns 为了与DRAM的规格作竞争并且超越闪存，其中有一些为10ns，甚至<10ns的编程速度接近高性能SRAM。

读操作读取电压V RD需要显著小于写入电压V WR，以防止电阻的读操作期间的变化。

因为由电路设计的约束，V RD不能小于约十分之一的V WR。

一个额外的要求源于最小读取电流I RD。

在ON状态，I RD应不小于大约1mA，允许由相当小的读出放大器快速检测状态。

读时间T RD必须在T WR命令或优选更短的顺序。

电阻比率电阻比率是指器件高阻状态的电阻值与低阻状态的电阻值的比值。

电阻比率的大小可以影响到判读数据的准确性。

尽管一个仅为1.2〜1.3的电阻比率，也可以通过专用的电路设计的MRAM显示出来，大于10的电阻比率需要允许小且高效率的放大器读出，因此，这是RRAM器件与Flash的成本竞争力所在。

通常情况下，RRAM器件的电阻比率大于10即可。