免费的游戏大全-新一代存储技术 阻变存储器RRAM
新一代存储技术: 阻变存储器
王源 贾嵩 甘学温
北京大学微电子学研究院,阻变 教育部微电子器件与电路重点实验室, 北京 100871; † E-mail: wangyuan@pku.edu.cn
摘要阻变存储器具有存储单元结构简单、工作速度快、新代功耗低、存储存储有利于提高集成密度等诸多优点,技术 受到广泛的关注。作者论述了RRAM 的阻变基本结构和工作原理, 并介绍了三维集成和多值存储等RRAM 新型技术。
关键词不挥发性存储器; 阻变存储器; 电阻可逆转换; 三维集成; 多值存储
过去几十年里集成电路技术得到突飞猛进的新代免费的游戏大全发展, 以集成电路为核心的信息产业已经成为国民经济的支柱产业。特别是存储存储半导体存储器在信息产业的增长中起到关键作用。DRAM,技术 SRAM 和Flash存储器已经成为信息产业的核心产品。
由消费类产品驱动的阻变存储器市场需要更高密度、高速度、新代低功耗、存储存储具有不挥发性且价格便宜的技术存储器产品。到目前为止, Flash 是最成功的高密度不挥发性存储器。但是随着器件尺寸不断缩小,Flash 的发展受到限制, 一方面它的编程电压不能按比例减小, 另一方面随着器件尺寸减小、隧道氧化层减薄, 电荷保持性能下降。 因此, 新的存储技术的研究越来越受到关注, 如铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)。 FeRAM 利用铁电材料在电场作用下极化方向反转的特性存储二进制信息[1−2]。FeRAM 具有自极化特性, 当电场去掉后极化特性仍然保持, 因此是一种不挥发性存储。MRAM 利用磁性材料的2 个磁化方向存储二进制信息, 利用电流产生磁场改变材料的磁化方向写入信息[3−5], 在没有外加磁场时材料的磁化方向保持不变, 因此也是不挥发性存储。FeRAM 和MRAM由于需要特殊的材料, 不易与常规CMOS 工艺兼容, 制作成本也比较高, 另外, 读出信号微弱,FeRAM 读操作会破坏原来的“1”信号, 需要数据再生[1], 这些问题影响了它们的应用。PRAM 利用材料在晶态和非晶态的转化, 材料在晶态是低电阻,在非晶态是高电阻, 用这两种状态实现二进制信息的存储, 也是不挥发性存储。但是实现材料的相变需要较大的电流, 例如对于180 nm 工艺的器件, 编程电流在几百微安到1 mA[6], 因此单元中的MOS晶体管尺寸不能太小, 这样就限制了单元尺寸的缩小。RRAM 利用材料电阻率的可逆转换实现二进制信息的存储。由于可以实现电阻可逆转换的材料非常多, 因此便于选择出制备工艺简单且和CMOS工艺兼容的材料。RRAM 存储单元结构简单、工作速度快、功耗低、信息保持稳定、具有不挥发性, 而且易于实现三维立体集成和多值存储, 有利于提高集成密度。表1[7−8]比较了不同类型存储器的主要性能, 可以看出, RRAM 在很多性能方面都有优势。因此, RRAM 将有可能替代DRAM, SRAM 和Flash成为通用存储器, 是未来新一代存储技术的有力竞争者。
1 RRAM 基本原理
Chua[9]1971 年首次从理论上提出忆阻器(memristor)的概念, 这种器件的电阻可以通过施加电压或电流而改变, 因此可以用它的低阻和高阻两种状态存储逻辑“0”和逻辑“1”。 2000 年liu 等[10]报道了用电脉冲感应的电阻可逆转的(electric pulse induced reversible, EPIR)不挥发性存储器件, 他们采用钙钛矿氧化物PCMO(Pt0.7Ca0.3MnO3)作存储电阻, 这就是RRAM。从此, RRAM 的研究吸引了越来越多的关注, 成为新一代存储技术研究的热点。
可以实现电阻可逆转换的材料非常多, 主要有钙钛矿氧化物[7,10]、过渡金属氧化物[11−13]、固态电解质材料[14]、有机材料[15−16]以及其他材料。不过, 对众多的可用于RRAM 的材料会经历一个淘汰选择的过程, 一方面要深入理解材料电阻转变的物理机制,另一方面要考虑材料的制备工艺, 特别要考虑和CMOS 集成电路工艺兼容。到目前为止, 对材料的电阻转变机制还缺乏深入理解, 对电阻转变机制的探讨[11,17−18]以及如何提高器件性能仍是研究的热点。
RRAM 采用MIM 结构的存储器件, 结构非常简单, 在上、下电极中间是忆阻材料, 如图1 所示。
当在两个电极之间加一定幅度和一定宽度的脉冲电压, 会使忆阻材料在两个稳定的电阻态转换。也可以用多个幅度较小的窄脉冲实现编程。存储电阻
I-V 曲线如图2[19]所示, 具有典型的回滞特性。曲线分成4 个区域: 高阻态、低阻态和2个转变区, 只有电压幅度超过一定阈值时可以对电阻进行编程或复位, 编程电压的大小及脉宽与材料性能有关。用较小幅度的窄脉冲探测电阻的大小, 进行读操作,由于脉宽和幅度都比较小, 不会改变电阻的状态,因此, 是非破坏性读出。 要得到显著的电阻变化,需要较小的器件尺寸, 因为电阻转变特性与1/D2有关, D 是忆阻材料层的厚度[19]。这也是为什么直到近十几年随着工艺技术的发展RRAM 的研究才更加深入。RRAM 可以获得较大的开关电阻比, 根据最新文献报道, RRAM 的开关电阻比可以超过106~107。
比起其他存储器, RRAM 器件制备工艺很简单, 可以采用溅射、化学汽相淀积、脉冲激光淀积以及电子束蒸发等工艺形成电阻层, 不需要增加专门的设备。有些制备工艺还可以在室温进行, 不需要高温工序。这些都有利于降低成本, 便于和标准CMOS 工艺兼容。甚至可以在完成逻辑电路制作后,仅仅利用后步工序完成存储器件。
图1 RRAM 的MIM 器件结构[19]
Fig. 1 Schematic diagram of MIM structure in RRAM[19]
图2 忆阻器的回滞特性[19]
Fig. 2 Hysteresis characteristics of memristor[19]
2 RRAM 存储单元结构和工作原理
RRAM 存储单元可以采用3 种基本结构, 即0T1R 单元、1D1R 单元和1T1R 单元, 如图3 所示。
还有的研究小组提出了一种叠置的1TXR 单元结构, 这种结构将在3 维存储结构中介绍。下面分别说明0T1R、1D1R 和1T1R 存储单元的结构和工作原理。
2.1 0T1R 单元
图1 所示就是0T1R 单元, 只用一个存储电阻构成一个单元, 电阻的上电极接字线, 电阻的下电极接位线。这种单元结构简单可以实现4F2 的最小单元面积, 而且便于实现三维立体集成。2008 年
图3 RRAM 的3 种基本单元结构
Fig. 3 Schematic diagram of generic RRAM cell
HP 实验室制作出半节距30 nm的MIM结构存储器件, 而当时DRAM 的半节距是59 nm[19]。构成存储阵列时在每条字线和位线上加选择开关, 如图4[8]所示。在编程和读操作时, 通过行译码和列译码选中一条字线和一条位线, 从而选中交叉点的单元,但是这种0T1R单元阵列存在严重的干扰。如图5[20]所示, 如果要读取右下角的高阻单元, 读出电流应该很小, 但是由于周围的3 个单元都是低阻态, 会通过这3 个低阻单元形成较大的干扰电流, 如图5中虚线标出的电流路径, 从而造成读出错误。因此,采用这种0T1R 单元结构需要采用具有自整流特性的忆阻材料, 如Chen 等[8]用硫族化合物Ge2Sb2Te5作电阻, 采用0.18 μm CMOS 工艺制作出4 kbRRAM。
为了减小非选单元引起的干扰, 在操作时对非选中的字线和位线加一定的电压抑制干扰。有两种电压方案, 一种是V/2 方案, 另一种是V/3 方案[8]。V/2 方案如图6(a)所示, 对选中字线加正常操作电压, 选中位线接地, 其余所有非选中的字线和位线都接V/2, 编程(置位)、擦除(复位)和读操作时的V 分别是1.3, 1.0 和1.15 V。这种单元不是用两种极性相反的电压实现置位和复位操作, 复位操作是采用相同极性幅度较低宽度较大的脉冲电压实现。
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