变存储器阻变材料概述

变存储器阻变材料概述

本评论文旨在对电阻式随机存取存储器（RRAM）的最新进展进行全面审查。首先，简单介绍阻变存储器的结构特点以及工作方式。第二，对RRAM使用的无机阻变材料和有机阻变材料进行了总结，并且它们各自的优点和缺点进行了讨论。第三，着重介绍无机阻变材料中过渡金属二元氧化物和固态电解质，并展开介绍几种二元氧化物重要的开关机制。第四，介绍有机阻变材料的组成和应用方向。第五，介绍电极材料，对电极材料进行分类，介绍不同类型电极材料的特点及应用范围。第六，对RRAM在非常规的计算以及逻辑器件和多功能RRAMs的应用前景，进行全面总结和彻底讨论。

关键字：阻变存储器，无机阻变材料，有机阻变材料,电极材料

第一章绪论

自 1947 年贝尔实验室的 Shockley，Brattain 和 Bardeen 发明了第一个

锗点接触式晶体管[1]，电子产业就从真空电子时代进入了微电子时代。微电子

技术是当代电子信息技术的核心，在国民经济和国家战略上发挥着重要影响。在技术和需求的驱动下，集成电路从二十世纪六十年代的“小规模集成”发展到现在的“超大/极大规模集成”。作为微电子技术的重要组成部分，半导体存储器技术也到了迅速的发展，一直朝着“更高密度，更快速度，更低功耗”的方向发展。

如今，存储技术在快速的发展导致电脑在性能和移动应用两个方面的飞速

进步,特别是发展固态记忆存储技术，他将是计算机模拟和电子消费类产品市场

取得进步的关键因素。今天，主要的存储器技术是镝动力学随机存取存储器（DRAM）和闪存。前者，表现出极高的使用寿命和快速的读写速度。但是，他是一个随机存取存储器，由于受电容充放电的限制只能将数据保持很短的一段时间。闪存，作为一种主流的非易失性存储器技术，具有良好的收缩性，他理论上可以缩小到32纳米节点。但是，闪存的写入和访问速度相对缓慢，使用寿命也受到限制。

因此，结合非挥发性高耐力和超越32纳米节点的可扩展性两方面展开了一种新

的存储理念的研究。

新兴的非易失性存储器技术包括磁性存储器（MRAM），铁电存储器（FRAM），晶相存储器（PRAM），阻变存储器（RRAM）。 MRAM由于其开关场的限制，不

能拥有小的尺寸和毫安级别的编程电流， FRAM可重写次数有限，PRAM不易控制温度。因此，RRAM表现出很大的未来发展潜力。被认为极有可能替代DRAM、Flash，成为下一代通用存储器的强有力的候选者之一。

早在1967年Simmons和Verderber就对Au/SiO/Al 结构的电阻转变行为进行了研究，但由于受到当时历史条件的影响没有受到重视，直到美国休斯顿大学（University of Houston）的 Ignatiev研究小组在200年发表了 PrxCa1-xMnO3 (PCMO)氧化物薄膜电阻转换特性的研究后，电子界才着手投入大量精力和财力到RRAM 研究。

作为新型非挥发性存储器中的一员，RRAM要做到与现在主流的浮栅Flash

竞争，在将存储性能做到和 Flash相当的前提之下，RRAM 必须充分利用高集成密度的优势来降低成本，从而获取市场份额。

阻变存储器的基本结构如图1-1所示，由上、下电极中间夹一薄层介质材料构成，像一个微小的电容器，通过改变加在介质材料上的脉冲电压或者电流，能

够使介质材料在高电阻态或低电阻态之间进行转换，实现‘0’和‘1’的存储记忆，而且任何一种电阻态的电阻值可在电场去除后持续一定的时间，因此它被称为是一类非易失性存储器。

图1-1 阻变存储器记忆单元结构示意图

由图1-1所示，阻变记忆薄层选用不同的阻变材料组合，器件的性能参数将会有比较大的不同。阻变材料是RRRAM的核心。上下级之间接触不同的阻变材料将会呈现不同的界面状态，进而影响RRAM器件的性能参数。

阻变材料的种类很多，现阶段人们主流研究的有四类：钙钛矿氧化物、过渡金属二元氧化物、固态电解质材料、有机材料。表1 清晰的展现出来现阶段报道的阻变转化特性的材料。

表1 现阶段报道的阻变转化特性的材料

钙钛矿氧化物拥有高介电常数以及铁磁性、铁电性和磁电阻效应等重要特性，在阻变存储器中发挥出了良好的存储性；固态电解质的微观阻变机制可归为原子的移动因此有希望在未来的新型纳米电子器件和量子计算机等领域内得到应用；与其它阻变材料相比，二元金属氧化物拥有构成简单、材料成分易于掌控、成本低、稳定性好和制备工艺与 CMOS工艺兼容等优良特点，由此更为受到产业界

的倾赖,一直是微电子领域内一类重要的材料体系。与以上无机阻变材料相比，

有机阻变材料易于成膜及成本地下等优点也是他备受人们关注。

本文根据不同阻变材料在阻变存储器中发挥的作用及工作原理进行讨论。

第二章无机阻变材料

RRAM的无机存储介质可以粗略地分为过度金属二元氧化物（例如，的SiO

x

，

的TiO

x ，NIO

X

，的TaO

x

和HfO

x

），三元和更多的复合氧化物（例如，钛酸锶，

0.7Sr0.3MnO

3和的BiFeO

3

），固态电解质材料中的硫属化物（例如，Ag

2

S和Ge

x

Se

y

），

氮化物（例如，氮化铝和氮化硅）和其他（包括AC，的a-Si等）。下面，我们就过渡金属二元氧化物和固态电解质两种类型进行细致深入的分析和讨论。

2.1过度金属二元氧化物

2.1.1 NiO 薄膜

NiO是目前最有前景的过度金属氧化物材料之一。由于他简单的成分和结构，研究NiO薄膜将会成为一个非常令人感兴趣。研究NiO主要集中于提高从高阻态到低阻态的电阻转化率和提高电阻转换道具。对于基于NiO薄膜的RRAM应用，最主要的课题是了解细丝状导电的物理机制和获得直接的实验数据。Park和他的合作伙伴在多晶NiOx薄膜上观察到包含Ni细丝状沟道的电场，并且发现这种不可逆的低阻态将会使Ni细丝状的沟道和密度的增加成为可能[1]。设想将细丝状的纳米导电路径应用于NiO表面，在电阻状态不断交换的时候，最先进的原子级显微镜将会用于观察Pt/NiO/Pt[2]的任意或者局限性的电阻转换。一些被假定为细丝状导电源头的区域（或点），被认为为电阻记忆性装置做贡献。由于高阻态和低阻态的相互转化，有着Hg/Nio/PT结构的NiO薄膜的细丝状导电的形成和破裂通常直接被导电原子级显微镜观察到[3]。

图2-1 NiO薄膜的影像图[3]

图2-1中（a）是低阻态NiO薄膜的影像,（b）是高阻态NiO薄膜的影像，