各种存储器的简介

简单介绍5种非易失性存储器
• 非易失性存储器（英语：non-volatile memory，缩写为NVRAM） 是指当电流关掉后，所存储的数据不会消失的电脑存储器，其存储特 性相当于硬盘。
简单介绍5种非易失性存储器
• • 重要参数：保持性能、 耐受性能、读写速度、器件寿命、开关电阻 比值 保持性能 ——非挥发性存储器的保持性能所对应的参数就是保持时 间,这个时间是指从数据存储以后到第一次读错数据所跨越的时间长 度。目前典型的数值是十年,而且是指在不供电的清况下。 耐受性能——在大多数非挥发技术中,写入和读取这样的常规操作会 产生应力,最终能损害存储器的性能或者干扰存储器的存储数据。耐 受性就是用来描叙存储器对这种应力的承受能力,这个参数的数值是 指让存储器不能正确存储信息时的擦除一写入循环的最小次数。这 些年以来,工业界一致认同存储器的耐受性至少要到达十万次才具有 竞争力。 开关电阻比值—— ROFF/RON
5.阻变随机存储器(RRAM)
在导电细丝完整形成 的瞬间为置位过程， 此时ECM单元的阻态 迅速由高阻变为低阻。 最终，电流由细丝流过， ECM单元达到开启状态， 如图(B)所示。
5.阻变随机存储器(RRAM)
而此时当Ag电极加反向电压， 两种熔断机制： (1)氧化还原细丝溶断 导电细丝中的Ag原子发生 氧化反应，产生带正电的Ag+； 带正电的Ag+在Ag电极处还 原成Ag原子。导电细丝开 始断裂。 （2）热熔断 导电细丝因为低阻态电 流产生热量过大而熔断。 细丝熔断即复位过程，如图 (C)所示。
在初始情况下， ECM单元处于如 （D）图所示的 关断状态。
5.阻变随机存储器(RRAM)
当活性阳极，如本例中的Ag电极， 施加正电压，会有Ag+离子开始沿 着电场方向在电解质内向惰性阴极 方向迁移。当Ag+离子接触到惰性 阴极时得到电子被还原，于是沉积 在惰性电极表面。一旦开始有Ag颗 粒沉积于阴极表面，电解质内的电 场分布发生变化，Ag沉积处的高电 场会导致更多Ag+离子迁移至此并 被还原，于是逐渐形成一条由阴极 通向阳极的细丝，如图(A)所示。
5种存储器性能比较（F为特征尺寸）
Flash Memory FeRAM MRAM PRAM RRAM
非易失性
单元大小 （F2)
yes
7-11
yes
15-34 20-80 50/50 1012
yes
16-40 3-20 3-20 >1015
yes
6-12 20-50 50/120 108
yes
6-10 10-50 10-50 108
读时间(ns) 50 写/擦时间 104/104 （ns） 耐久性 105
写入功率
高电压要 求
high
5
low
2-3V
high
3V
low
1.5-3V
low
1.5-3V
2.铁电随机存储器（FeRAM）
原理
FRAM利用铁电晶体的铁 电效应实现数据存储,铁电 晶体的结构如图所示。铁 电效应是指在铁电晶体上施 加一定的电场时,晶体中心 原子在电场的作用下运动, 并达到一种稳定状态;当电场从晶体移走后,中心原子会保持 在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶,中心原 子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置, 因此FRAM保持数据不需要电压,也不需要像ROM一样周期 性刷新。
4.相变随机存储器（PRAM）
材料在外加电压下， 在晶态与非晶态间之 间转换，两种状态的 电阻特性不同，可以 用来分别代表“0”和“1” 来存储数据。 (电阻加热器BEC、 上下电极TE、BE相变薄膜GST)
4.相变随机存储器（PRAM）
CRAM 写入和读取信息的具体过程为： （1）写“0”——RESET——非晶化 给存储单元施加如图（a）所示 的短而强的脉冲电流（电压），GST 的温度被加热到熔点（Tm）以上， 其分子成为无序状态，其后电压突然 移去，熔融的GST经快速冷却（t1） 至结晶点（Tg）以下，由于分子没有 足够的时间进行重新排列，其无序状 态得到保持，从而实现到高阻的非晶态 的转化，实现存储信息“0”。
2.铁电随机存储器（FeRAM）
2.铁电随机存储器（FeRAM）
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• • • • • 问题 大多数铁电材料均为钙钛矿晶体结构,典型的铁电材料有锆钛酸铅 (PZT)，钛酸锶钡(SBT)。 锆钛酸铅(PZT)缺点是有疲劳退化问题，还有含铅会对环境造成污染。 钛酸锶钡(SBT）缺点工艺温度较高，使之工艺集成难度增大，剩余极 化程度较小。 未来发展要解决的主要难题: 一是采用 单元结构缩小单元面积提高集成度; 二是提高铁电薄膜性能。
4.相变随机存储器（PRAM）
（3）读——READ 存储单元的读过程使用短而弱的脉冲 电流（电压），如图（c）所示，其 产生的热能只能使GST的温度上升到 结晶点以下，材料的状态在读电脉冲 下不会发生变化，通过与外电路的配 合，即可读出存储元的电阻。
4.相变随机存储器（PRAM）
问题 （1）性能不高：耐久性读写速度和次数不如FeRAM,MRAM,RRAM。 （2）由于 需要使用加热电阻来使相变材料发生相变，工艺越先进，单 元越精细，对加热元件的 控制要求也越高，发热带来的影响也越大 发热和 较大的耗电量可能会限制 的进一步发展。 （3）制造成本十分高昂。
1.闪速存储器(wk.baidu.comlash Memory)
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电子注入示意图
1.闪速存储器(Flash Memory)
• 整个工作机理用能带图来说明
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（a）初始阶段
(b)电子越过势垒或隧穿注入
1.闪速存储器(Flash Memory)
（c）电子成功注入
(d)通过电子隧穿擦除
1.闪速存储器(Flash Memory)
• 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， 这其中包括铁电随机存储器（FeRAM）、磁性随机存储器 （MRAM） 、相变随机存储器（PRAM ） 、阻变随机存储器 （RRAM）等。
4.相变随机存储器（PRAM）
（2）写“1”——SET——晶化 给存储单元施加如图（b）所示 的长而幅度中等的脉冲电流（电压）， GST的温度被加热到熔点（Tm）以下 结晶点（Tg）以上，且该状态被保持 一段时间（t2）。由于脉冲时间较长， 其分子有足够的时间进行排列，成为 有序状态，从而实现到低阻的晶态的 转化，实现存储信息“1” 。
3.磁性随机存储器（MRAM）
当铁磁层的磁矩相互平行时，由于 通过绝缘隧道层的载流子与自旋有 关的散射最小，电阻也就最小，器 件表现出低阻态； 反之，磁层的磁矩相反时，通过绝 缘层的载流子与自旋有关的散射最 大，这时电阻最大，使器件呈现高阻态。
3.磁性随机存储器（MRAM）
问题
（1）制造成本十分高昂。 （2） MRAM是在集成硅电路的磁性材料中存储信息，周围的磁场会对 芯片产生一定影响，对于高磁环境下的磁场屏蔽也是值得考虑的问题。
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简单介绍5种非易失性存储器
闪速存储器 (Flash Memory)
铁电随机存储器 （FeRAM）
磁性随机存储器 （MRAM）
相变随机存储器 （PRAM）
阻变存储器 (RRAM)
1.闪速存储器(Flash Memory)
• 闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极 和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中 的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力， 就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，直 到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。Flash存储器是通过 向浮栅中注入或拉出电子来实现“写”或“擦”。向浮栅中注入电子 时定义为“1”将浮栅中的电子拉出定义为“0”。
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1.闪速存储器(Flash Memory)
• 注入电子实现“写” • ①热电子注入机理：当在漏和栅极上同时加高电压，电子从电场获得 能量变成热电子，由源极向漏极迁移，在栅极电场的吸引下，当电子 的能量大于Si/SO2界面势垒时，它们就能越过势垒注入到浮栅上。同 时，强电场也会引起碰撞电离，碰撞电离产生的二次电子也能注入到 浮栅上。 • ①福勒 - 诺德海姆隧穿效应机理：当在栅极和衬底之间加一个电压时, 在氧化层中会建立一个电场。一般情况下,由于SiO2和Si界面的电子 势垒很高( 3. 2eV) ,电子很难越过势垒注入到多晶硅栅中。Fowler等 人提出,当氧化层中电场达到10MV/cm,且氧化层厚度较小( 0. 01μm以 下)时,电子将发生直接隧穿效应,穿过氧化层中势垒注入到浮栅。 • 小结：通过越过势垒和电子隧穿势垒实现注入电子。 拉出电子实现“擦” 在控制栅极上加上负电压，或在源/漏加正电压，存储电子通过隧 穿离开浮到到衬底。
5.阻变随机存储器(RRAM)
RRAM中的阻变元件 一般采用简单的类似电 容的金属-介质层-金属 （MIM）结构，由两层 金属电极包夹着一层介 质材料构成。 对RRAM存储机制仍有很大的争论,本 次汇报简单讲解导电细丝理论。
5.阻变随机存储器(RRAM)
导电细丝典型结构
5.阻变随机存储器(RRAM)
汇报人
：伍法才
简单介绍5种非易失性存储器
一、引言
二、非易失性存 储器的简单说明
三、介绍5种非易 失性存储器
引 言
• 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,我们正迈向一个信息社会。 信息社会离不开信息的存贮。近半个世纪以来,人们不断地探索存贮新 技术,形成了品种繁多的存储器家族,其中的半导体不挥发性存储器 ( Non-VolatileSemiconductor Memory)因其具有掉电仍能保持信息的 特点而成为存储器家族的热门领域。
5.阻变随机存储器(RRAM)
此时ECM单 元的阻态迅速 由低阻变为高 阻。最终器件 达到关断状态， 如图(D)所示。
5.阻变随机存储器(RRAM)
主要问题 RRAM是 一 项 前 沿 的 研 究 课 题。 目 前 关 于物理机制的研究已取 得了较快进展，但这些机制大都停留在实验现象上，缺乏直接的实验 依据，电阻转变部位的确认,电阻转变过程中元素的变化以及电阻转变 的重复性问题，是当前 研究所面临的紧要问题。 同时，在众多材料 中寻找性能制备拓展性都满足要求的材料仍是发展的关键 。