阻变存储器单元结构及集成
新型高密度1S1R结构阻变存储器件概述
新型高密度1S1R结构阻变存储器件概述随着现代半导体工艺的技术进步， Flash 存储器开始遇到技术瓶颈，新型存储器应运而生。
与其他几种新型的非易失性存储器相比，阻变存储器（ RRAM 或 ReRAM）因其具有结构简单、访问速度快等优势，成为下一代非易失性存储器的有力竞争者之一。
基于阻变存储器的交叉阵列是阻变存储器实现高密度存储最简单、最有效的方法。
而仅由阻变存储单元构成的交叉阵列由于漏电通道而存在误读现象。
为了解决误读现象，通常需要在每个存储单元上串联一个选择器构成1S1R结构。
对由阻变存储单元和选择器构成的1S1R结构的研究进展进行综述分析是一项有意义的工作，因此本论文主要对1S1R结构的阻变存储器件的研究进展进行概述。
关键词：阻变存储器，交叉阵列，选择器，1S1R目录中文摘要.......................................... 错误!未定义书签。
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第一章绪论 (1)1.1 阻变存储器 (1)1.1.1 RRAM基本结构 (1)1.1.2 RRAM技术回顾 (1)1.2 交叉阵列汇中的串扰问题 (3)1.3 本论文的研究意义及内容 (3)1.3.1 研究意义 (3)1.3.2 研究内容 (3)第二章 RRAM的集成选择器的集成方式 (5)2.1 有源阵列 (5)2.2 无源阵列 (5)第三章 RRAM的集成选择器的类型 (6)3.1 1T1R (6)3.2 1D1R (6)3.3 1S1R (8)3.4 back to back结构 (10)3.5 具有自整流特性的1R结构 (11)第四章 1S1R结构阻变存储器件研究进展 (13)第五章总结与展望 (14)5.1 论文总结 (14)5.2 未来工作展望 (14)第一章绪论1.1 阻变存储器1.1.1 RRAM基本结构阻变存储器（Resistive Random Access Memory,RRAM）和相变存储器的原理有点相似，在电激励条件下，利用薄膜材料，薄膜电阻在高阻态和低阻态间相互转换，这样子就能实现数据存储[1-2]。
阻变存储器及其集成技术研究进展
第39卷第4期2009年8月微电子学MicroelectronicsVo l 39,N o.4Aug.2009收稿日期:2008-11-19;定稿日期:2009-02-23基金项目:国家高技术研究发展(863)计划基金资助项目(2008A A031403);国家重点基础研究发展(973)计划基金资助项目(2006CB302706);国家自然科学基金资助项目(60825403,90607022,60506005)动态综述阻变存储器及其集成技术研究进展左青云,刘 明,龙世兵,王 琴,胡 媛,刘 琦,张 森,王 艳,李颖弢(中国科学院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术实验室,北京100029)摘 要: 在各种新型非挥发性存储器中,阻变存储器(RRAM )具有成为下一代存储器的潜力。
介绍了RRAM 器件的基本结构,分类总结了常用的材料以及制备工艺,对RRAM 阵列的集成方案进行了比较,并讨论了目前存在的问题;最后,对RRAM 的研究趋势进行了展望。
关键词: 非挥发性存储器;阻变存储器;电阻转变中图分类号:T P333.5文献标识码:A文章编号:1004-3365(2009)04-0546-06Progress in Development of Resistive RAM and Its Integration TechnologyZU O Qingyun,LIU Ming,LON G Shibing ,WAN G Qin,H U Yuan,LIU Qi,ZH ANG Sen,WAN G Yan,LI Yingtao(K ey L aborator y of Nano -f abrication and N ov el Dev ice s I nte gra ted Tec hnology ,I nstitu te of M icr oelec tr onics,T he Chinese A cade my of Sc ienc es,Be ij ing 100029,P.R.China)Abstract: Resistive r andom access memor y (R RA M )is one of the most pr omising candidat es for nex t generationof no n -volatile memo ry.T he basic structur e of R RA M w as described.R esist ive sw itching materials and electrodes for R RA M wer e summar ized,and t heir fabrication technolog ies wer e reviewed.Different techniques fo r integ ration of RR AM ar ray w ere discussed and exist ing pr oblems wer e analyzed.A nd finally,the research trend o f RR AM w as discussed.Key words: No n -v olatile memo ry ;Resistiv e rando m access memor y (R RA M );Resistiv e sw itching EEACC : 1265D1 引言随着集成电路工艺32nm 技术节点的来临,传统的Flash 非挥发性存储器遇到了一系列的问题。
《三维垂直型阻变存储器的特性、机理及其集成技术研究》范文
《三维垂直型阻变存储器的特性、机理及其集成技术研究》篇一一、引言随着信息技术的飞速发展，存储器作为信息处理和存储的核心元件，其性能的优化和技术的创新成为了当前研究的热点。
其中，三维垂直型阻变存储器（3D Vertical Resistive Random Access Memory，简称3D-VRRAM）以其高密度、低功耗、快速读写等优点，受到了广泛关注。
本文将详细探讨三维垂直型阻变存储器的特性、工作机理以及其集成技术的研究。
二、三维垂直型阻变存储器的特性1. 高密度存储：三维垂直型阻变存储器采用垂直堆叠的存储单元结构，极大地提高了存储密度，满足了大数据时代对高存储密度的需求。
2. 低功耗：该存储器在读写过程中具有较低的功耗，有效降低了设备的发热问题，提高了设备的稳定性。
3. 快速读写：由于采用独特的阻变机制，三维垂直型阻变存储器具有极快的读写速度，满足了实时处理的需求。
4. 耐久性高：具有良好的耐久性，可以在多次读写后仍保持稳定的性能。
三、三维垂直型阻变存储器的工作机理三维垂直型阻变存储器的工作机理主要基于阻变效应。
在存储单元中，通过改变电极间的电压或电流，使材料发生阻值变化，从而实现数据的存储和读取。
具体来说，当对存储单元施加一定的电压或电流时，材料内部的离子会发生迁移，形成导电通道或断开导电通道，从而改变材料的电阻值。
这种阻值变化是可逆的，通过改变电压或电流的大小和方向，可以实现数据的写入、读取和擦除。
四、三维垂直型阻变存储器的集成技术研究1. 工艺技术：三维垂直型阻变存储器的制造工艺主要包括薄膜制备、图案化、堆叠等步骤。
通过优化工艺参数，可以提高存储器的性能和稳定性。
此外，还可以采用先进的微纳加工技术，实现高密度的垂直堆叠。
2. 电路设计：针对三维垂直型阻变存储器的电路设计，需要考虑到读写速度、功耗、稳定性等因素。
通过优化电路设计，可以实现高速、低功耗的读写操作。
此外，还需要考虑存储器的抗干扰能力和可靠性等问题。
阻变存储器概述
阻变存储器概述-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN阻变存储器概述阻变存储器（RRAM）是利用脉冲电压对存储单元进行写入和消除，进而导致记忆单元电阻改变，这就是电脉冲诱使阻变效应。
电阻转换现象利用一些薄膜材料在电激励条件下薄膜电阻在不同电阻状态（高阻态（HR S）、低阻态（LRS））之间的相互转换来实现数据存储。
根据电阻转换所需外加电压极性的不同，RRAM器件的电阻转变特性可以分为两种切换模式：单极转换和双极转换。
从HRS到LRS的转换被称为“SET”过程。
相反，从LRS到H RS的转换被称为“RESET”过程。
单极转换是指器件在高低组态之间转变时外加电压极性相同。
如果器件能在任意极性的电压实现高低阻态的转变，它被称作为无极性转换。
双极开关的切换方向取决于所施加的电压的极性。
图（a）RRAM基本结构示意图和RRAM转换特性，（b）单极性转换，（c）双极性转换对于单极转换必须设置限制电流，对于双极转换，不一定需要设置限定电流的大小。
施加在RRAM上的电压可以是脉冲电压或扫描电压，实际应用中利用扫描电压改变记忆单元电阻是不行的。
除了使用直流电压改变阻态，还可以用电脉冲诱导电阻转变（EPIR）效应实现记忆单元阻值转换。
利用改变脉冲电压的极性完成高低阻态的转变，如图所示。
图脉冲诱使电阻转换的可重复现象RRAM器件的阻变机制到目前为止，电阻转换的真正机制还未确定，机制的不明确严重影响阻变存储器的应用步伐[6]。
阻变效应属于材料的体效应还是氧化物与电极间的界面效应是需要解决的重大难点。
目前，对于电阻转换现象的解释，研究人员提出了下面几种模型，主要有：导电细丝模型，界面接触势垒模型，缺陷能级模型。
导电细丝模型导电细丝（CF，conducting filament）机制是一种局域化的效果，仅在介质薄膜的局部发生电阻的转变。
从目前报道来看，固态电解液和大多数金属氧化物RRAM的电阻转变都与局部导电细丝的形成与断裂有关[7]。
阻变存储器(RRAM)入门介绍
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………………………………………………………………
4
2.2 RRAM器件参数………………………………………………………………
其电流电压特性所表现出的阻值变化主要来?于介质层的铁电性质也就是其材料内部正负电荷在电场作?下表现出的定向翻转由此当ftj的顶电极与底电极之间施加不同?向不同??的偏压由于电场?向和强度的不同介质层的特性将会发?相应的变化内部的正负电荷发?不同?向不同程度的翻转
目目 录
!
引言言……………………………………………………………………………………1
!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。
新型高密度1S1R结构阻变存储器件概述
新型高密度1S1R 结构阻变存储器件概述随着现代半导体工艺的技术进步，Flash 存储器开始遇到技术瓶颈，新型 存储器应运而生。
与其他儿种新型的非易失性存储器相比，阻变存储器（RRAM 或ReRAM ）因其具有结构简单、访问速度快等优势，成为下一代非易失性存储 器的有力竞争者之一。
基于阻变存储器的交义阵列是阻变存储器实现高密度存储最简单、最有效的 方法。
而仅山阻变存储单元构成的交义阵列山于漏电通道而存在误读现象。
为了 解决误读现象，通常需要在每个存储单元上串联一个选择器构成1S1R 结构。
对 山阻变存储单元和选择器构成的1S1R 结构的研究进展进行综述分析是一项有意 义的工作，因此本论文主要对1S1R 结构的阻变存储器件的研究进展进行概述。
关键词：阻变存储器，交义阵列，选择器，1S1R错误!未定义书签。
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第一章绪论 (1)1.1阻变存储器 (1)1. 1. 1 RRAM 基本结构 ........................................... 1 1. 1.2 RRAM 技术回顾 ............................................ 1 1.2交叉阵列汇中的串扰问题 .......................................... 3 1.3本论文的研究意义及内容 (3)1. 3. 1研究意义 (3)中文摘要.... 英文摘要1.3.2研究内容 (3)第二章RRAM的集成选择器的集成方式 (5)2.1有源阵列 (5)2.2无源阵列 (5)第三章RRAM的集成选择器的类型 (6)3. 1 1T1R (6)3.2 1D1R (6)3.3 1S1R (8)3. 4back to back 结构 (10)3.5具有自整流特性的1R结构 (11)第四章1S1R结构阻变存储器件研究进展 (13)第五章总结与展望 (14)5. 1论文总结 (14)5.2未来工作展望 (14)第一章绪论1.1阻变存储器1. 1. 1 RRAM基本结构阻变存储器（Resistive Random Access Memoiy, RRAM）和相变存储器的原理有点相似，在电激励条件下，利用薄膜材料，薄膜电阻在高阻态和低阻态间相互转换，这样子就能实现数据存储["I。
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阻变存储器单元结构及集成
1.1 交叉阵列中的串扰
图1. 1.1 交叉阵列结构集成中的串扰现象
阻变存储器被认为是很有潜力的下一代存储器的候选者。
它具有电阻转变速度快、功耗低、存储密度高和良好的可缩小性特点。
由于具有最小的单元面积4F2，交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。
但是，目前所报道的阻变存储器的低阻态I-V特性曲线几乎是线性且对称的（类似于电阻特性），在一个最简单的2×2交叉阵列结构中，如果有一个存储器单元处于高阻态而其他三个单元处于低阻态，在读取该高阻态的存储单元状态时电流将沿着三个处于低阻态的存储器单元形成一条漏电通道，如图1. 1.1所示，这就是串扰。
当阵列m×n（m, n>2）变得很大时，所述漏电通道将增多，漏电流增大从而导致误读。
目前解决误读最有效的方法就是在每个存储单元上集成一个晶体管或者二极管构成有源结构和无源结构。
1.1.1 有源结构
在有源结构单元中，使用一个晶体管和阻变存储器串联来形成one transistor one resistor（1T1R）。
如图1.1.1所示，在1T1R结构中，晶体管起到选通和隔的作用。
当对阻变存储器单元操作时，晶体管导通，这样就选择了所需操作的单元；而其他阻变存储器单元的晶体管关闭，这样能够避免对周围单元产生串扰和误操作，起到隔离的作用。
1T1R结构中器件的最小面积取决于选择晶体管的大小，最小单元面积为6F2。
2002年Zhuang等人首次采用0.5 μm CMOS工艺制备了基于1T1R结构的64位的RRAM阵列。
1T1R结构集成时是将晶体管在前端工艺完成，而RRAM存储器件则在后端工艺完成，由于RRAM存储器在后端工艺完成，所以必须考虑热预算，工艺温度不可过高。
图1.1.1 1T1R 结构阻变存储器单元示意图
1.1.2 无源交叉阵列结构
相比于有源结构单元，由于具有最小的单元面积4F2，无源的交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。
在交叉阵列结构中，通过相互垂直的上下电
极导线来实现存储单元的选择。
无源交叉阵列结构的RRAM制备工艺简单，能够有效地提高器件良率，降低成本。
采用交叉阵列集成可以将单元面积做到4F2（F 为特征线宽），大大提高RRAM器件的存储密度。
Heath小组利用超晶格纳米线转移的方法制作的基于有机物的16 Kb交叉存储阵列，密度达到1011bits/cm2 。
采用无源交叉阵列结构的另一个优点就是CMOS电路在前端制程完成，而存储器在后端制程制备，这样就可以将CMOS电路制造和存储器单元制备完全分开，有利于提高芯片良率。
同时，采用无源交叉阵列结构还可以采用三维的多层集成，这样每个存储单元的面积为4F2/N（N为叠层的层数），存储密度成倍提高。
（如图1.1.2）
图1.1.2 交叉阵列结构示意图
为了解决串扰问题，可以给每一个存储节点串联一个整流二极管，形成one diode one resistor（1D1R）存储单元结构。
图1. 1.3是将二极管和存储器单元串联起来形成的1D1R结构等效电路示意图。
和1T1R结构中的晶体管作用类似，1D1R 结构采用二极管来选择所需操作的存储单元。
采用1D1R结构，由于整流二极管的整流作用，电流只能从一个方向流过RRAM器件，图1. 1.3虚线所示的漏电通道被截止，从而有效地抑制了交叉阵列结构集成中的串扰现象。
在Lee等人制备的双层1D1R结构8×8阵列中，RRAM器件具有整流效应且电阻值能在高低阻态之间转换，层与层之间没有观测到明显的干扰。
采用1D1R结构的交叉阵列单元最小面积也是4F2，并且可以3D集成，因此存储密度可以做得很高。
图1.1.3 1D1R 阻变存储器单元结构示意图
1D1R 结构中目前急需解决的一个问题是找到合适的与阻变存储器串联的整流二极管。
选择整流二极管的主要标准是高的正向电流密度、高的整流比和制备温度低。
基于Si 材料的二极管的电流密度和整流比都比较高，但是Si 二极管的制备温度都很高，且不容易在金属电极材料上外延得到质量很好的Si，不适合于RRAM 在后端制程中的集成。
鉴于此，研究人员将目光投向了同RRAM功能层材料一样的氧化物。
基于氧化物的二极管可以在低温甚至是室温下制备，与CMOS 工艺兼容，制备用于RRAM 器件1D1R 结构中的基于氧化物的二极管也是目前一个研究热点。
表1.1.1 给出了目前研究报道的可用做RRAM 器件整流的氧化物二极管器件性能参数。
基于氧化物的二极管也包含肖特基型和PN结型二极管。
Shin等人在250 ℃的温度下制备的肖特基型Pt/(In,Sn)2O3/TiO2/Pt二极管的整流比达到了1.6×104（±1V 的读取电压），将其与Pt/TiO2/Pt存储器件串联后成功地实现了RRAM器件高低电阻状态的转变并且具有明显的整流特性。
Lee 等人研究了基于p-CuO x/n-InZnO x 的PN结型整流二极管的特性，二极管的正向电流密度超过了104A/cm2（2 V读电压），并将其成功地应用到了双层8×8阵列结构中，整个存储单元的操作电压约为3 V。
同时，他们还发现，二极管的电流密度随着氧化物的禁带宽度减小而增大，这将对提高基于氧化物PN结型整流二极管的电流密度具有方向性的指导意义。
相比较而言，肖特基型的二极管的操作电压较小，而PN结型的二极管的电流密度则比较高。
表1.1.1 部分报道的可用于RRAM 的氧化物二极管
到目前为止，用于RRAM整流的二极管的电流密度还不是很高，Shima等人将整流二极管面积做得比阻变存储器大来提供足够大的电流，但这样会使得阵列中整个存储单元的面积大于4F2，降低了阵列的存储密度，减小交叉阵列的优势。
1D1R结构集成中需要解决的问题是继续提高整流二极管的电流密度和整流比，这样才能为RRAM器件的读写提供足够大的电流和有效地抑制交叉阵列中器件
之间的串扰。
此外，文献中报道的这些普通的单向导通二极管只适用于电阻转变过程发生在同一极性电压下面的单极性阻变存储器。
而对于阻变过程发生在不同电压极性下的双极性阻变存储器则需要串联一个更复杂的类似于Zener二极管的双向导通二极管。
在Zener二极管中，正向的电流电压特性类似于普通的二极管，而当负向电压达到击穿电压（Zener电压）时二极管也会有很大的反向电流流过。
作为串联在双极性阻变存储器上的Zener二极管，需要满足三个基本条件：1）为了抑制漏电流需要在一定的读电压下二极管正反向电流比很高；2）为了得到合适的器件操作电压需要二极管的Zener电压尽量小；3）为了保证电阻转变过程需要二极管正反向电流密度都很大。
然而，在同一Zener二极管中很难同时满足以上三个条件，从而在一定程度上制约了双极性1D1R结构的发展。
解决交叉阵列结构集成中串扰的另一个有效办法就是开发具有自整流效应的RRAM。
最近，在基于a:Si的阻变存储器中观察到了自整流效应，这使得不需要串联上外接的二极管就能够解决串扰问题变得有可能。
而如果能够在目前被大量研究的过渡金属氧化物阻变存储器中获得这样的自整流效应更加具有意义。
此外，揭示自整流效应的物理本质可以能够更好的设计所需特性的器件。