可用于阻变存储交叉阵列的选择器研究进展

可用于阻变存储交叉阵列的选择器研究进展

随着信息时代的来临，存储器在日常生活中起到的作用越来越大了，其中阻变存储器（RRAM）作为新型的非挥发性存储器的一员受到了越来越大的关注。阻变存储器（RRAM）的集成一般分为有源（active）阵列和无源(passive)阵列二种。在与现今主流的浮栅Flash竞争中，其中无源阵列中的无源交叉阵列由于其具有高集成密度的特点是一种极有前景的应用方案，然而其中串扰问题却限制了它的发展。本文将综述阻变存储器(RRAM)的由来以及它的两种集成方案，两种集成方案对比后得出的无源交叉阵列广阔的应用前景以及为解决无源交叉阵列中串扰现象而应用的1D1R结构（one diode one resistor）和具有自整流效应的1R（one resistor）结构。最后对未来进行展望，无源交叉阵列是阻变存储器集成的首选方式，具有自整流效应的1R结构更是最有效的方式，这也是在与Flash 存储器竞争中占优势的一项。

关键词阻变存储器,有源阵列,无源阵列,1D1R,自整流

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第一章引言

1.1 概述

在过去的好几十年里，随着集成电路技术的突飞猛进的发展，以集成电路为核心的信息产业在国民经济中占有越来越大的比重，特别是半导体存储器在信息产业的增长中，起到了尤为重要的关键作用。DRAM,SRAM和Flash存储器是过去信息产业的核心产品。

在市场的推动下，对于存储器的要求也就越来越高了，存储器市场需要更高密度、高速度、低功耗、具有不挥发性的特点，而且价格更便宜的存储器产品。目前市场上主流的非挥发存储器技术就是基于电荷存储机制的Flash存储器，但是在实际的应用中，我们发现这类存储器有操作电压较大、速度慢、耐久性较差等特点，同时由于器件尺寸不断的缩小使得Flash的发展受到限制，一方面它的编程电压不可以按比例减小，另一方面，器件尺寸的缩小会使得遂穿氧化层减薄，从而使得数据保持性能恶化，所以这类的存储器会很难延续到32nm技术以下。因此，多种基于电阻值变化作为信息存储方式的新型非挥发性存储技术越来越受到学术界的关注，比如：磁存储器（MRAM）【1】、铁电存储器（FeRAM）、相变存储器（PRAM）【2】、阻变式存储器（RRAM）【3】。其中阻变式存储器是一种根据施加在金属氧化物（Metal Oxide)上的电压的不同，使得材料的电阻在高阻态和低阻态之间发生相应变化，从而开启或阻断电流流通的通道，并利用这种性质存储各种信息的内存，是可以显著提高耐久性和数据传输速度的可擦写的内存技术，它具有操作电压较低、操作速度快、保持时间较长、非破坏性读取、多值存储和与CMOS工艺兼容等优点【4 5 6 7】，目前已逐渐成为新型非挥发存储器的研究重心。

作为新型的非挥发性存储器，RRAM存储器要想在现今主流的Flash竞争中取得优势，RRAM必须能够以高集成密度的优势来降低成本满足市场从而获得较大的市场份额。我们把RRAM存储器的集成一般分为有源阵列（active）和无源（passive）阵列。有源阵列中，我们用场效应管（MOSFET）作选通管，与每一个阻变式存储单元串联成1T1R（one transistor one resistor）结构用于控制对存储单元的读写，同时在集成阵列中使用字线与位线达到选通存储单元的目的【8】。使用这种1T1R结构通常是要将选择晶体管的单元事先制备好，然后再在其漏端或者其源端上继续制备RRAM存储单元，理论上分析，在这种阵列中，每个

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存储单元的大小主要是由选择晶体管的大小决定的，每个存储单元的面积为6F2。而在无源阵列中，每个存储单元由互相交叉的字线和位线构成的上下电极来决定的[9]，在平面结构中可以用于实现最小的存储单元的面积为4F2。无源阵列不要求CMOS工艺的前段制程，可以进行多层堆叠从而实现三维存储结构，每一个存储单元的面积仅仅只有4F2/N(N为堆叠的层数)[10]。

所以，从存储阵列集成的密度角度来看，无源交叉阵列是在RRAM集成过程中的首选方式，也是RRAM在与Flash存储器竞争过程中的优势之一。

1.2有源阵列结构

1.2.1 1T1R结构

在RRAM存储器件的实际应用过程中，我们常使其状态由高阻态到低阻态进行转变，但是，我们会发现这时通过器件的电流会突然增大，如果我们不进行补救的话，就会造成器件的永久击穿，所以我们必须在使用的器件的二端设置一定的限定电流来达到我们的目的。我们能够想到的方法就是通过外接电阻或者晶体管的方法来达到限流的作用。但是通过外接电阻的方法，对于外接的电阻的大小不能进行随便的改变，不利于调节限流值。使用外接晶体管的方法时，正常情况下能够达到限流的作用，但在限流较小时，器件由低组态向高阻态发生转变时所需要的复位电流大概在1mA左右而不会随着限流的减小而减小。这种现象我们称为电流过冲现象，即限流失效问题。这种限流失效对于阻变存储器所需要的低功耗需求是很不利的，而且复位电流如果过大，会降低器件反复擦写的能力，影响阻器件的寿命。

限流失效的本质是在施加二端的限制电流在减小的时候，低阻态时的阻值并没有随着限制电流的减小而增大。所以，为了避免限流失效，我们将一个场效应晶体管与阻变存储器进行串联集成构成1T1R结构【11 12 13】，也就是所谓的有源结构。

由于1T1R结构进行集成时是先将晶体管放在前端工艺上进行完成，而RRAM 存储器件则是在后段的工艺中完成，所以在集成的过程中我们必须考虑到热预算，其工艺温度不能过高。

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图1.1 1T1R结构阻变存储器单元示意图[14]

以上是1T1R结构阻变存储器单元示意图，其中场效应晶体管起到的作用是选通和隔离。当对阻变存储器单元进行操作时，场效应晶体管就会导通，这样就是选择了所需操作的单元，此时阻变存储器其他单元的场效应晶体管会关闭，这样就可以避免对附近单元产生串扰和误操作以起到隔离的作用。

1T1R结构中的器件的最小面积是取决于选择晶体管的面积，其最小的单元面积是6F2（F为特征尺寸）.目前国际上很多公司和研究所针对不同特征尺寸下的1T1R结构集成开展了大量的工作，其中包括日本的富士通实验室，美国的飞索公司以及中国科学院微电子研究所等，并已经取得了相当的成果。

1.2.2 有源结构的分类

有源阵列的结构主要分为两种：NOR结构和NAND结构。其中NOR的结构如图1.2所示，它的特点主要是其相邻的二个单元的选通晶体管共用一个源端，由

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