阻变式存储器存储机理
阻变存储器概述
阻变存储器概述阻变存储器（Resistive Random Access Memory, RRAM）是一种基于非电荷存储机制的新型存储技术。
RRAM的上下电极之间是能够发生电阻转变的阻变层材料。
在外加偏压的作用下，器件的电阻会在高低阻态之间发生转换从而实现“0”和“1”的存储。
在二进制存储中，一般将低阻态代表“1”，高阻态代表“0”。
器件从高阻变化为低阻的过程称为Set，从低阻变为高阻的过程称为Reset。
Set过程中，一般需要限制通过器件的最大电流，以避免器件完全损坏。
虽然阻变存储器的研究自2000年后才兴起，但薄膜的阻变现象早在1967年就由英国Standard Telecommunication Laboratories的J. G. Simmons等人发现[1]。
1971年，美国加州大学伯克利分校的华裔教授Leon Chua就在理论上预言了除了电阻、电容、电感之外的第四种基本器件——忆阻器（Memristor）的存在[2]。
在2008年的Nature杂志上，惠普公司报道已成功制备出忆阻器原型器件并提出了相应的物理模型。
他们模拟了(a)有动态负微分现象的电阻器件、(b)无动态负微分现象的电阻器件、(c)存在非线性离子运动的电阻器件三种不同器件的工作机制：(a)中当所加正电压到达最大值时，器件还未完全发生电阻转变，在正电压逐渐减小的过程中器件继续发生电阻转变（电阻减小），因此观察到了明显的负微分电阻现象；在(b)中所加正向电压到达最大值之前，器件已经完全发生电阻转变，之后在未加负偏压之前器件电阻一直保持不变，因此没有负微分电阻现象；在(c)器件中，离子运动是非线性的，其到达上下电极两种边界条件是突变的，因此其一般只有两种状态（OFF和ON态）。
阻变存储器RRAM可以归为忆阻器(c)类器件中的一员。
2.1 阻变存储器的材料体系2.1.1 固态电解质材料固态电解质体系中包含两个要素：一是固态电解质层，二是可在固态电解质层中发生氧化还原反应的金属。
阻变随机存储器(RRAM)综述(自己整理)
目录引言 (1)1 RRAM技术回顾 (1)2 RRAM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 (6)2.3 RRAM的阻变行为分类 (7)2.4 阻变机制分类 (9)2.4.1电化学金属化记忆效应 (11)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)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)参考文献 (36)阻变随机存储器（RRAM）引言：阻变随机存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）器件。
近年来，NVM器件由于其高密度、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，已被广泛投入到可移动存储器的应用当中。
但是，工作寿命、读写速度的不足，写操作中的高电压及尺寸无法继续缩小等瓶颈已经从多方面限制了flash存储器的进一步发展。
作为替代，多种新兴器件作为下一代NVM器件得到了业界广泛的关注[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，FeRAM及MRAM 在尺寸进一步缩小方面都存在着困难。
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泛的研发热潮。
本文将着眼于RRAM 的发展历史、工作原理、研究现状及应用前景入手，对RRAM进行广泛而概括性地介绍。
1 RRAM技术回顾虽然RRAM于近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，首次展示了这种基于金属-介质层-金属(MIM)三明治结构在偏压变化时发生的阻变现象[6]。
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。
关键词：非挥发性存储器，阻变随机存取存储器，氧化还原反应，铁电随机存取存储器，磁阻随机存取存储器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。
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。
基于I_V特性的阻变存储器的阻变机制研究
纳米器件与技术Nanoelect ronic Device&Technology基于I2V特性的阻变存储器的阻变机制研究李颖弢1,2,刘 明1,龙世兵1,刘 琦1,3,张 森1,王 艳1,2,左青云1,王 琴1,胡 媛1,刘 肃2(1.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;2.兰州大学物理科学与技术学院微电子研究所,兰州 730000;3.安徽大学电子科学与技术学院,合肥 230039)摘要:随着器件尺寸的缩小,阻变存储器(RRAM)具有取代现有主流Flash存储器成为下一代新型存储器的潜力。
但对RRAM器件电阻转变机制的研究在认识上依然存在很大的分歧,直接制约了RRAM的研发与应用。
通过介绍阻变存储器的基本工作原理、不同的阻变机制以及基于阻变存储器所表现出的不同I2V特性,研究了器件的阻变特性;详细分析了阻变存储器的五种阻变物理机制,即导电细丝(filament)、空间电荷限制电流效应(SCL C)、缺陷能级的电荷俘获和释放、肖特基发射效应(Schott ky emission)以及普尔-法兰克效应(Pool2Frenkel);同时,对RRAM器件的研究发展趋势以及面临的挑战进行了展望。
关键词:阻变存储器;非挥发性存储器;I2V特性;阻变机制;工作原理中图分类号:TN304.21;TP333.8 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2009)03-0134-07R esistive Switching Mechanisms for Nonvolatile R esistive R andom Access Memory B ased on I2V CharacteristicLi Y ingtao1,2,Liu Ming1,Long Shibing1,Liu Qi1,3,Zhang Sen1,Wang Yan1,2,Zuo Qingyun1,Wang Qin1,Hu Yuan1,Liu Su2(1.L aboratory of N ano2Fabrication and N ovel Devices Integrated T echnology,Institute of Microelectronics,Chinese A cadem y of S ciences,B ei j ing100029,China;2.I nstitute of M icroelect ronics,S chool of PhysicalS cience and Technolog y,L anz hou Universit y,L anz hou730000,China;3.S chool of Elect ronic Science andTechnology,A nhui Universit y,Hef ei230039,China)Abstract:With the conventional memories approaching their scaling limits in recent years,the nonvola2 tile resistive random access memory(RRAM)device is considered as one of the promising candidates of next2generation memories for possibly replacing the flash memory.However,the detailed switching mechanisms are not yet clearly understood,which is a direct constraint for the application of RRAM.Therefore,an overview of RRAM devices is presented,including the development status,basic opera2 tion principle and resistive switching mechanisms.Based on different I2V characteristics,these mecha2 nisms are mainly divided into conduction filament,space charge limited conduction,trap charging and discharging,Schottky emission and Pool2Frenkel emission.Meanwhile,the future research directions and challenges of RRAM memories are analysed.收稿日期:2008-11-13基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA031403);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2006CB302706);国家自然科学基金资助项目(60825403,90607022,60506005)E2m ail:liuming@K ey w ords:RRAM;nonvolatile memory;I2V characteristics;resistance switching mechanisms; operation principleEEACC:2000;2520F0 引 言随着手机、MP3、MP4以及笔记本电脑等可携式个人设备的逐渐流行,非挥发性存储器在半导体行业中扮演着越来越重要的角色,其最大的优点是在无电源供应时所存储的数据仍能被长时间保持下来,目前市场上的非挥发性存储器仍以闪存(Flash)为主流。
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。
英文摘要.......................................... 错误!未定义书签。
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]。
二元金属氧化物阻变存储器概述
二元金属氧化物阻变存储器概述半导体器件的尺寸随着摩尔定律的不断缩小是支撑集成电路和信息技术快速发展的原动力。
然而基于电荷存储机制的Flash 存储器作为当前主流的非挥发性存储技术随工艺技术代拓展遇到严重的技术瓶颈，已经无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。
为了延续摩尔定律的前进脚步，许多基于其它存储概念的新型非挥发性存储技术受到科研界和学术界的广泛关注。
其中，基于薄膜材料的可逆电致电阻效应的阻变随机存取存储器(resistive random access memory,RRAM)，因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、高速擦写和极佳的尺寸缩小性等优势，并且其材料与当前CMOS 工艺兼容，被认为是下一代非挥发性存储器的最有力竞争者之一。
在阻变存储器(RRAM)中，我们把研究的注意力集中在材料组分简单、容易控制，制造工艺与CMOS兼容的二元金属氧化物上，创新性地研究了掺杂二元金氧化物的电阻转变特性。
主要研究了Au/ZrO2:Au/n+ Si，Au/HfO2:Cu/n+ SiCu/ZrO2:Cu/Pt这三种材料结构的阻变特性，分析了各自电阻转变的可能机制，发展了一套测试器件性能参数的电学测试方法。
实验结果发现在二元金属氧化物中掺杂可以有效的提高器件的成品率，我们认为这是由于人为引入的杂质能够调制与阻变密切相关的缺陷的分布和类型。
这项结果使得掺杂的二元金属氧化物材料具有很大的RRAM的应用潜力。
关键词：非挥发性存储器；电阻转变；阻变随机存储器；二元金属氧化物；多值存储；第一章绪论1.1 引言存储是一切生物的本能，松鼠存储过冬的松果；北极熊为冬天的漫长寒冷存储下厚厚的脂肪以冬眠；而人类的发展从未离开过存储。
从古至今，从原始人类存储食物，到现代人的信息交流，都离不开这个词。
我们存储的载体从山洞变成了冰箱，从毛皮变成了纸张，又从纸张变成了手机，电脑等电子产品。
随着人们的生活水平越来越高，越来越多人都拥有各种电子产品。
基于阻变存储器的逻辑计算电路及外围读写电路设计
基于阻变存储器的逻辑计算电路及外围读写电路设计1. 阻变存储器的原理及应用研究阻变存储器（ReRAM）是一种新型非挥发性存储器，具有极低的功耗和高密度等优势，被广泛应用于各种电子设备中。
本论文首先介绍了阻变存储器的基本原理，主要包括隧穿效应、氧化还原反应等。
然后对其在计算机、物联网、人工智能等领域的应用情况进行了详细的分析。
最后对其未来的研究方向提出了展望，特别是在阻变存储器多位操作、崩溃等方面的研究需要进一步加强。
毕业总结：在本论文的研究过程中，我深入了解了阻变存储器的工作原理，发现其具有广泛的应用前景。
通过深入研究该技术，我对计算机科学领域有了更深刻的理解，并展望了其他新兴技术的发展方向，这对我未来的职业发展和科研工作都将产生积极的影响。
2. 基于阻变存储器的逻辑计算电路设计逻辑计算电路是计算机基本部件之一，对于电脑的性能和稳定性具有重要意义。
基于阻变存储器的逻辑计算电路采用了动态阻值调整技术，可以提高电路的运算速度和能效。
本论文设计了一种基于阻变存储器的逻辑计算电路，提出了随机激活的逻辑计算单元结构，并且采用了方向粗略匹配的电路优化方法。
经过仿真和测试，我们发现该电路具有较高的运算速度和稳定性，能够满足实际应用的需要。
毕业总结：在本论文的研究过程中，我了解了逻辑计算电路的基本原理和设计方法，并得以深刻理解基于阻变存储器的逻辑计算电路的优势和局限性。
通过实践，我不仅提高了自己的设计能力，还深入了解了实际应用中的问题和解决方法。
3. 基于阻变存储器的外围读写电路设计外围读写电路是阻变存储器系统的重要组成部分，用于完成外部数据传输。
本论文设计了一种基于阻变存储器的外围读写电路，主要包括数据传输电路、存储器控制电路和时序控制电路等。
为了提高电路的传输速度和稳定性，我们使用了预取存储技术和反馈控制方法。
实验结果表明，该电路具有高性能和低功耗的特点，可以满足更高规模的数据传输需求。
毕业总结：在本论文的研究过程中，我深入学习了阻变存储器系统的组成和工作原理，并设计了一种高性能的外围读写电路。
阻变存储器和忆阻器的关系
阻变存储器和忆阻器的关系
阻变存储器和忆阻器是两种不同的电子元件，它们在电路中起
着不同的作用。
尽管它们都与电阻有关，但它们的工作原理和应用
领域却有所不同。
首先，让我们来看看阻变存储器。
阻变存储器，也称为电阻随
温度变化存储器（RRAM），是一种能够在电压作用下改变电阻值的
存储器。
它通常由两个电极之间夹杂着一种特殊的材料组成，当施
加电压时，材料的电阻会发生变化，这种变化可以用来表示数字信息，因此阻变存储器被广泛应用于非易失性存储器和人工智能领域。
而忆阻器则是一种基于忆阻效应的电阻器件，它的电阻值会随
着施加的电压或电流的变化而发生改变。
忆阻器的工作原理是基于
电子在材料中的迁移和重新排列，这种效应可以被用来存储信息或
者进行模拟神经元的计算。
因此，忆阻器在人工智能、神经网络和
模拟电路等领域有着广泛的应用。
尽管阻变存储器和忆阻器都与电阻有关，但它们的工作原理和
应用领域却有所不同。
阻变存储器主要用于存储数字信息和逻辑运算，而忆阻器则更多地用于模拟神经元和进行神经网络的计算。
然
而，这两种元件都代表了新一代存储和计算技术的发展方向，将在未来的电子领域发挥重要作用。
阻变随机存储器(RRAM)综述(自己整理)
目录引言 (1)1 RRAM技术回顾 (1)2 RRAM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 (6)2.3 RRAM的阻变行为分类 (7)2.4 阻变机制分类 (9)2.4.1电化学金属化记忆效应 (11)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)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)参考文献 (36)阻变随机存储器（RRAM）引言：阻变随机存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）器件。
近年来，NVM器件由于其高密度、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，已被广泛投入到可移动存储器的应用当中。
但是，工作寿命、读写速度的不足，写操作中的高电压及尺寸无法继续缩小等瓶颈已经从多方面限制了flash存储器的进一步发展。
作为替代，多种新兴器件作为下一代NVM器件得到了业界广泛的关注[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，FeRAM及MRAM 在尺寸进一步缩小方面都存在着困难。
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泛的研发热潮。
本文将着眼于RRAM 的发展历史、工作原理、研究现状及应用前景入手，对RRAM进行广泛而概括性地介绍。
1 RRAM技术回顾虽然RRAM于近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，首次展示了这种基于金属-介质层-金属(MIM)三明治结构在偏压变化时发生的阻变现象[6]。
10.阻变式存储器存储机理
sisted thermal ionization) ,是一种发生在体内的类似
于肖特基势垒的效应 [ 8 ]. 绝缘体材料在生长过程中
发生分解或受污染时必然带来大量的陷阱 ,这些陷
阱在体内产生类似于界面处的库仑势垒 ,严重限制
了漂移电流和扩散电流 ,而相邻陷阱间的距离比较
大 ,隧穿现象又很难发生 ,因此这时只能通过陷阱俘
从高阻到低阻的转变则需要加电压至 Vth ,局域 态能带顶驻留的电子在电场的作用下被释放出来 , SiO 材料重新回到低阻态. S - V 理论的 I - V 曲线呈 字母 N 形 ,为单极性 ,如图 3所示.
兹曼常数 , T为温度 ,ε0 为真空介电常数 , K为相对
介电常数. 如果不考虑温度的影响 ,上式可定性看作
Abstract Resisitive random access memories ( RRAM s) are one of the most p rom ising next - generation non volatile memory devices, based on reversible switching between high and low resistance states by the app lication of an external electric field. They have been widely studied as a remarkable new type of memory device, due to their potential for scaling down beyond the 32nm node lim it to rep lace current mainstream flash memory devices. How2 ever, controversy about the resistance switching mechanism of RRAM s has severely lim ited their further develop2 ment and app lication. In this article certain essential models of the charge2transportation in the bulk material are described, and p resent theories exp laining the resistance switching mechanism are also reviewed. Keywords non2volatile, resistive random access memory ( RRAM ) , review, space charge lim ited current ( SCLC) , filament
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]。
二元金属氧化物阻变存储器概述
二元金属氧化物阻变存储器概述半导体器件的尺寸随着摩尔定律的不断缩小是支撑集成电路和信息技术快速发展的原动力。
然而基于电荷存储机制的Flash 存储器作为当前主流的非挥发性存储技术随工艺技术代拓展遇到严重的技术瓶颈，已经无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。
为了延续摩尔定律的前进脚步，许多基于其它存储概念的新型非挥发性存储技术受到科研界和学术界的广泛关注。
其中，基于薄膜材料的可逆电致电阻效应的阻变随机存取存储器(resistive random access memory,RRAM)，因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、高速擦写和极佳的尺寸缩小性等优势，并且其材料与当前CMOS 工艺兼容，被认为是下一代非挥发性存储器的最有力竞争者之一。
在阻变存储器(RRAM)中，我们把研究的注意力集中在材料组分简单、容易控制，制造工艺与CMOS兼容的二元金属氧化物上，创新性地研究了掺杂二元金氧化物的电阻转变特性。
主要研究了Au/ZrO2:Au/n+ Si，Au/HfO2:Cu/n+ SiCu/ZrO2:Cu/Pt这三种材料结构的阻变特性，分析了各自电阻转变的可能机制，发展了一套测试器件性能参数的电学测试方法。
实验结果发现在二元金属氧化物中掺杂可以有效的提高器件的成品率，我们认为这是由于人为引入的杂质能够调制与阻变密切相关的缺陷的分布和类型。
这项结果使得掺杂的二元金属氧化物材料具有很大的RRAM的应用潜力。
关键词：非挥发性存储器；电阻转变；阻变随机存储器；二元金属氧化物；多值存储；第一章绪论1.1 引言存储是一切生物的本能，松鼠存储过冬的松果；北极熊为冬天的漫长寒冷存储下厚厚的脂肪以冬眠；而人类的发展从未离开过存储。
从古至今，从原始人类存储食物，到现代人的信息交流，都离不开这个词。
我们存储的载体从山洞变成了冰箱，从毛皮变成了纸张，又从纸张变成了手机，电脑等电子产品。
随着人们的生活水平越来越高，越来越多人都拥有各种电子产品。
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。
阻变随机存储器(RRAM)综述(自己整理)
目录引言 (1)1R R A M技术回顾 (1)2 RRA M工作机制及原理探究 (4)2.1R R A M基本结构 (4)2.2R R A M器件参数 (6)2.3 RR A M的阻变行为分类 (7)2.4阻变机制分类 (9)2.4.1电化学金属化记忆效应 (11)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)2.4.7铁电隧穿效应 (28)2.5R R A M与忆阻器 (30)3R RA M研究现状与前景展望 (33)参考文献 (36)阻变随机存储器（RRAM）引言：阻变随机存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）器件。
近年来，NVM器件由于其高密度、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，已被广泛投入到可移动存储器的应用当中。
但是，工作寿命、读写速度的不足，写操作中的高电压及尺寸无法继续缩小等瓶颈已经从多方面限制了flash存储器的进一步发展。
作为替代，多种新兴器件作为下一代NVM器件得到了业界广泛的关注[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，FeRAM及MRAM在尺寸进一步缩小方面都存在着困难。
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泛的研发热潮。
本文将着眼于RRAM的发展历史、工作原理、研究现状及应用前景入手，对RRAM进行广泛而概括性地介绍。
1 RRAM技术回顾虽然RRAM于近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，首次展示了这种基于金属-介质层-金属(MIM)三明治结构在偏压变化时发生的阻变现象[6]。
一种阻变存储器的机理的研究方法[发明专利]
![一种阻变存储器的机理的研究方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/96f3f31abc64783e0912a21614791711cc7979d4.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810459342.8(22)申请日 2018.05.15(71)申请人 深圳大学地址 518060 广东省深圳市南山区南海大道3688号(72)发明人 吕子玉 周晔 韩素婷 王俊杰 (74)专利代理机构 深圳市君胜知识产权代理事务所(普通合伙) 44268代理人 王永文 刘文求(51)Int.Cl.H01L 45/00(2006.01)H01L 21/66(2006.01)(54)发明名称一种阻变存储器的机理的研究方法(57)摘要本发明公开了一种阻变存储器的机理的研究方法，包括：步骤A、提供阻变存储器中所用的活性层材料，将所述活性层材料在基底上制作成薄膜；步骤B、将AFM调至接触模式下，利用导电原子力探针对所述薄膜的表面进行载流子的注入，形成载流子注入区；步骤C、将AFM原位切换至表面电势测量模式，在保护气氛中对包含所述载流子注入区的区域进行连续的扫描，得到扫描区域的表面电势图，根据所述表面电势图评估载流子在所述活性层材料中的行为能力。
本发明是基于原位进行载流子注入、连续扫描，进而评估载流子在活性材料中的注入、迁移和保留的能力，进而可以判断阻变行为是否是由活性层对电荷的俘获/释放所引起，检测结果准确可靠。
权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 108807666 A 2018.11.13C N 108807666A1.一种阻变存储器的机理的研究方法，其特征在于，包括如下：步骤A、提供阻变存储器中所用的活性层材料，将所述活性层材料在基底上制作成薄膜；步骤B、将AFM调至接触模式下，利用导电原子力探针对所述薄膜的表面进行载流子的注入，形成载流子注入区；步骤C、将AFM原位切换至表面电势测量模式，在保护气氛中对包含所述载流子注入区的区域进行连续的扫描，得到扫描区域的表面电势图，根据所述表面电势图评估载流子在所述活性层材料中的行为能力。
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内注入大量电子 [ 11 ]. 同时体内一般要有以下两种状
况 [ 13 ] :材料中的陷阱是正电性的 (空态时呈正电性 ,
吸引一个电子时不带电 ) ,或者材料中存在大量的
施主或受主中心.
图 4 施主效应的 P - F效应 [ 8 ] ( Ed 为施主能级的深度 ,Δ< 为 势垒降 )
图 3 A l/A lq3 /A l/A lq3 /A l0 为真空介电常数 , K为相对
介电常数. 如果不考虑温度的影响 ,上式可定性看作
如下关系 :
ln ( I /V ) ～ V1 /2.
(2)
P - F效应是一种体效应 ,产生这种效应的前提
就是 :在界面处形成非阻挡接触 ,或者即使界面处是
阻挡接触 ,但是势垒很薄 ,可以通过隧穿的方式向体
应 ( electrode2lim ited)将阻变机理分成两大类 [8 ] ,其 穿的方式穿过局域态到达正电极 ,此时 SiO 薄膜处
中体效应是指发生在体内的电阻转变现象 ,相应的 于低阻态. 而在能带弯曲的 Ⅰ区 ,由于陷阱能级的差
机理包含 S - V ( Simmons - Verderber) 理论 , P - F 异 ,导致了隧穿难度的加大 ,因此有少量电子驻留在
阻变式存储器的读写机制是 : 采用简单的结
构 ,如 1D 1R (一只二极管和一个阻变器 )或 1 T1R (一只晶体管和一个阻变器 ) ,如图 1 所示 ,利用高
2. 1 体效应 ( bulk2lim ited) 2. 1. 1 S - V 理论
电压改变材料的阻值的大小 ,即擦 /写要存储的信 息 ,然后用一个适当的小电压读取存储的信息.
2. 1. 2 P - F效应
P - F效应或者称为场助热电离效应 ( field2as2
sisted thermal ionization) ,是一种发生在体内的类似
于肖特基势垒的效应 [ 8 ]. 绝缘体材料在生长过程中
发生分解或受污染时必然带来大量的陷阱 ,这些陷
阱在体内产生类似于界面处的库仑势垒 ,严重限制
膜材料的界面处由表面态导致电阻转变的机理.
隧穿通道减少 ,从而隧穿难度加大 ,导致电流急剧下
物理 ·37卷 (2008年 ) 12期 http: ΠΠwww. wuli. ac. cn
·871·
物理学和高新技术
降 , SiO 薄膜进入到负微分电阻区 (NDR ). 再增加电压至 Vmin ,隧穿现象趋于停止 ,电流降
非常透彻 ,但是对阻变式存储器阻变机制的认识仍 然存在很大分歧 ,没有统一的理论解释. 尽管如此 , 相比其他非挥发存储器 ,阻变式存储器以其低操作 电压 、低功耗 、高写入速度 、耐擦写 、非破坏性读取 、 保持时间长 、结构简单 、与传统 CMOS (互补金属氧 化物半导体 )工艺相兼容等优点而被广泛研究 [ 5 ] , 表 1列出了各种存储器的性能比较 [ 6 ].
2 RRAM 存储机理
图 2 S - V 理论的能带示意图 [9 ] ( <0 为势垒高度 ,Ψm 是金属的功
根据不同材料结构 , RRAM 的存储机理有多种
函数 , V 为外加电压 , < i 为局域态顶部能量 )
解释. 本文根据体效应 ( bulk2lim ited)和电极限制效
在外加电压的作用下 ,电子进入局域态并以隧
至最低点. 若此时迅速撤去外加电压 ,能带弯曲处陷 阱中的电子不能及时释放出来 ,在声子的作用下 ,电 子逐渐隧穿到 Ⅱ区的局域态能带顶部并驻留下来 , 形成附加电子势垒 ,阻碍电子进入局域态 ,如图 2 ( b)所示 , SiO 薄膜进入高阻状态 ,此时加一个较小 的电压就可以读取储存的信息.
从高阻到低阻的转变则需要加电压至 Vth ,局域 态能带顶驻留的电子在电场的作用下被释放出来 , SiO 材料重新回到低阻态. S - V 理论的 I - V 曲线呈 字母 N 形 ,为单极性 ,如图 3所示.
1 引言
随着便携式消费电子被越来越广泛的使用 ,对 大容量非挥发性存储器的需求也越来越迫切. 传统 的可擦除编程只读存储器 ( EPROM )和电可擦除编 程只读存储器 ( E2 PROM )已远远不能满足现今的市 场需求 ,而基于浮栅结构的快闪 ( flash)存储器也由 于较高的操作电压和复杂的电路结构一直被业界所 诟病 ,于是各种新型的下一代非挥发性存储器应运 而 生 , 如 铁 电 存 储 器 ( FeRAM ) [ 1 ] 、磁 存 储 器 (MRAM ) [ 2 ] 、相变存储器 ( PRAM ) [ 3 ] ,阻变式存储器 (RRAM ) [ 4 ]等. 在这些新型非挥发性存储器当中 , FeRAM , MRAM 以及 PRAM 的存储机理已经被研究
Simmons和 Verderber在 1967 年提出 S - V 理 论 ,解释了在 SiO 薄膜中产生负阻的现象 [ 9 ]. 在电化
阻变式存储器所用的阻变材料有很多种 ,如二 元金属氧化物 、钙钛矿结构三元化合物 、硫系化合
学反应过程中 ,金原子在电场作用下 ,从电极扩散到 SiO 层中 ,形成深能级电子陷阱局域态 ,如图 2 ( a)
物 、有机半导体 ,其中二元金属氧化物因它的组成结 构简单 ,与传统 CMOS工艺相兼容而进入阻变式存
所示.
储器主流研究领域. 本文通过对阻变式存储器的体材料中几种基本
电荷输运机制的介绍 ,总结了目前对阻变式存储器
阻变机理的一些理论模型.
图 1 1T1R结构以及 RRAM 的结构示意图 [ 7 ] (Vg 为栅电压 , Vcell为存储器件单元的工作电压 )
3 国家重点基础研究发展计划 (批准号 : 2006CB302706)和国家自 然科学基金 (批准号 : 90607022, 90401002, 90207004, 60236010, 60506005, 60390071)资助项目. 2008 - 03 - 06收到初稿 , 2008 - 03 - 18收到修改稿
物理学和高新技术
阻变式存储器存储机理 3
王 永 管伟华 龙世兵 刘 明 谢常青
(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 阻变式存储器 ( resistive random access memory, RRAM )是以材料的电阻在外加电场作用下可在高阻态和 低阻态之间实现可逆转换为基础的一类前瞻性下一代非挥发存储器. 它具有在 32nm 节点及以下取代现有主流 Flash 存储器的潜力 ,成为目前新型存储器的一个重要研究方向. 但阻变式存储器的电阴转变机理不明确 ,制约它的进一步 研发与应用. 文章对阻变式存储器的体材料中几种基本电荷输运机制进行了归纳 ,总结了目前对阻变式存储器存储 机理的理论模型. 关键词 非挥发性 ,阻变式存储器 (RRAM ) ,综述 ,空间电荷限制电流 ( SCLC) , 细丝
存储器 非挥发性 编程功率 编程电压 读取电压范围 写入时间 擦除时间 读取时间 编程能量 高密度集成难点
DRAM 否
SRAM 否
FLA SH 是
PRAM 是
FeRAM 是
低
低
高
低
低
低
低
100—200mV 100—200mV
50 n s
8ns
50 n s
8ns
高 D e lta电流
1μs 1—100m s
降低 ,如图 4所示 ,电荷跃迁出陷阱的几率增大 ,从
而导致电导增大 ,电流急剧上升 ,其 I - V 特性曲线
有如下关系 [ 6 ] :
J
=
J0
exp
β
( PF
V1
/
2
2kT
)
,
(1)
式中
β PF
e3
=πε 0
( Poole - Frenkel) 效应 , SCLC ( space charge lim ited 这里.
current, 中译名为空间电荷限制电流 ) 理论 , Fila2??? 继续加电压至 Vmax ,能带弯曲加大 ,使局域态能 ment(细丝 )理论 , 而电极限制效应是指在电极与薄 带的顶部接近于费米能级 ,这时局域态内部的电子
The storage m echan ism of resisitive random access
WANG Yong GUAN W ei2Hua LONG Shi2B ing L IU M ing X IE Chang2Q ing
( Key L aboratory of N ano - Fabrica tion and N ovel D evices In teg ra ted Technology, Institu te of M icroelectron ics, Ch inese A cadem y of S ciences, B eijing 100029, China)
了漂移电流和扩散电流 ,而相邻陷阱间的距离比较
大 ,隧穿现象又很难发生 ,因此这时只能通过陷阱俘
获或释放电荷的方式来控制导带中电子浓度 ,从而
决定了电导的大小 [ 11 ] ,所以 F - P效应的本质原因
是由于电子浓度的变化 , 而不是由于迁移率的改
变 [ 12 ]. 在镜像力和电场的作用下 ,陷阱态的势垒会
10ns 50ns
低 30ns 30ns
50 n s
8ns
中
高
50ns 高
20ns 低
30ns 低
电容容量 晶体管数目 栅氧厚度 /高压 光刻 强诱电体面积
MRAM 是 高 中
20 —40 % 30ns 30ns 30ns 中
编程电流
RRAM 是 低 低
10 —106 10ns 30ns 20ns 低 光刻
Abstract Resisitive random access memories ( RRAM s) are one of the most p rom ising next - generation non volatile memory devices, based on reversible switching between high and low resistance states by the app lication of an external electric field. They have been widely studied as a remarkable new type of memory device, due to their potential for scaling down beyond the 32nm node lim it to rep lace current mainstream flash memory devices. How2 ever, controversy about the resistance switching mechanism of RRAM s has severely lim ited their further develop2 ment and app lication. In this article certain essential models of the charge2transportation in the bulk material are described, and p resent theories exp laining the resistance switching mechanism are also reviewed. Keywords non2volatile, resistive random access memory ( RRAM ) , review, space charge lim ited current ( SCLC) , filament