RRAM的阻變特性研究

宋 玲

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

RRAM的阻變特性研究

宋 玲

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

阻變存儲器（RRAM）是一種基于阻值變化來記錄存儲數(shù)據(jù)信息的非易失性存儲器（NVM），RRAM具有存儲單元結(jié)構(gòu)簡單、工作速度快、功耗低等諸多優(yōu)點，因而受到廣泛關(guān)注。主要從三方面論述RRAM的阻變特性。

阻變存儲器；阻變；非易失存儲器

1 引 言

阻變存儲器（RRAM）是一種基于阻值變化來記錄存儲數(shù)據(jù)信息的非易失性存儲器（NVM）。作為下一代NVM存儲器的有力競爭者，RRAM顯示出了優(yōu)異的電學(xué)性能及良好的CMOS兼容性，它具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、保持時間長、擦寫速度快、操作電壓小、非破壞性讀出和與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容性好等優(yōu)點，被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界看好。

2 RRAM的阻變機理

阻變現(xiàn)象是RRAM器件所特有的物理現(xiàn)象，它是利用某些薄膜材料在電脈沖激勵下可以具備不同的電阻狀態(tài)而進行信息存儲的NVM技術(shù)。實際上早在1967年，Simmons JG和Verderber R R等人就在SiO材料中觀測到了電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，而直到2000年Ignatiev A等人報道了他們在稀土摻雜錳氧化物鐠鈣錳氧（Pr0.7Ca0.3MnO3，PCMO）中發(fā)現(xiàn)了電脈沖誘發(fā)變阻效應(yīng)以后，這種電致變阻現(xiàn)象才引起了世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。而后研究者們陸續(xù)在很多種材料中都發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，最為常見的是過渡金屬二元氧化物，如CuxO、NiO和ZrOx以及一些固態(tài)電解質(zhì)材料如CuI0.76S0.1、Ag-Ge-Se、Ag-Ge-S、Ag2S等。

圖1為RRAM的單元結(jié)構(gòu)與工作機理。RRAM存儲單元是一個金屬-功能層-金屬的三明治結(jié)構(gòu)。通過金屬電極對功能層材料施加適當(dāng)?shù)碾妼W(xué)激勵，其電阻值可以在高電阻和低電阻兩種狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換，以此可以代表器件的兩種狀態(tài)，用以存儲邏輯“1”和邏輯“0”。當(dāng)電學(xué)信號撤掉之后，材料的電阻值可以維持不變，因此其存儲信息具有非揮發(fā)性。需數(shù)據(jù)讀取時，只需要施加小信號測試單元的電阻值便可讀出數(shù)據(jù)。當(dāng)信號足夠小時，并不會對變阻材料的電阻狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此其又具有非破壞性讀出的特點。

圖1 RRAM的單元結(jié)構(gòu)與工作機理

根據(jù)電阻開關(guān)跳變過程是否與電壓的極性相關(guān)，可以分為單極性電阻開關(guān)、雙極性電阻開關(guān)和無極性轉(zhuǎn)變，如圖2所示。圖2（a）所示在單極性電阻開關(guān)中，我們可以看到無論是在正電壓條件下還是在負(fù)電壓條件下，電阻形態(tài)都會經(jīng)歷由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)同時由高阻態(tài)變回低阻態(tài)；圖2（b）所示雙極性電阻開關(guān)的跳變過程除了與電壓的大小有關(guān)系之外還和電壓的極性有關(guān)。這兩種電阻跳變過程，在同一電壓極性范圍之內(nèi)都會發(fā)生。

圖2 RRAM的特性

有趣的是隨著時代的發(fā)展和科研人員的努力，有些研究者同時又發(fā)現(xiàn)了一種無極性電阻開關(guān)如圖2（c）所示。無極性電阻開關(guān)的電阻形態(tài)變化不會隨著電壓方向的變化而變化，同時電阻形態(tài)的變化可以發(fā)生在任何方向的電壓條件之內(nèi)，也就是高低阻態(tài)的變化可以發(fā)生在正電壓的激發(fā)條件下，同時也可以發(fā)生在負(fù)電壓的激發(fā)條件下。它和單極性電阻開關(guān)的區(qū)別在于，單極性電阻開關(guān)的組態(tài)變化只能從低電阻變化為高電阻，然后再從高電阻變回低電阻，但是無極性電阻開關(guān)的電阻形態(tài)是可以自己選擇的。它和雙極性電阻開關(guān)的不同之處在于，雙極性電阻開關(guān)電阻形態(tài)的改變是要依賴于電壓極性的變化，而無極性電阻開關(guān)電阻形態(tài)的變化不依賴于電壓形態(tài)的變化。

3 阻變機制的分類

阻變機制的分類并不是固定的，根據(jù)分類判據(jù)的不同，RRAM的阻變機制可分為細(xì)絲導(dǎo)電理論與界面阻變理論；由電極決定的阻變與由介質(zhì)層決定的阻變；單極型與雙極型阻變；基于氧化還原反應(yīng)與其他物理化學(xué)反應(yīng)的阻變等。

造成非易失性阻變的物理機制也非常多，包括納米機械記憶效應(yīng)、分子阻變效應(yīng)、靜電／電子記憶效應(yīng)、電化學(xué)金屬化記憶效應(yīng)、價變記憶效應(yīng)、熱化學(xué)記憶效應(yīng)、相變記憶效應(yīng)、詞組記憶效應(yīng)以及鐵電隧穿效應(yīng)等，但基本都是電致激發(fā)的阻變現(xiàn)象。

4 阻變器件

由于阻變現(xiàn)象的材料種類很多，且不同材料的阻變特性差異較大，表1給出了幾種常見RRAM器件比較，其中比較重要的參數(shù)有：阻變轉(zhuǎn)換電壓，為與現(xiàn)有COMS電路兼容，阻變轉(zhuǎn)換電壓最好在5V以下；高、低阻態(tài)阻值比，為有效區(qū)分兩種阻態(tài)，高、低阻態(tài)阻值比應(yīng)盡量大，常見的RRAM器件阻值比可達(dá)103；器件的讀寫速度；器件狀態(tài)轉(zhuǎn)化次數(shù)及狀態(tài)保持時間；器件功耗等。

表1 幾種常見RRAM器件比較

5 結(jié)束語

從RRAM的阻變機理、阻變機制的分類、阻變器件等三方面對RRAM的阻變特性進行了深入剖析。目前，RRAM受到國內(nèi)外大量研究人士的青睞，不光在阻變機理方面，還有器件結(jié)構(gòu)、工作機理、器件模型等方面都在大量研究，它的低操作電壓、低功耗、簡單結(jié)構(gòu)、高存儲密度、快速讀寫、與CMOS工藝相兼容等特點被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛看好，相信隨著研究工作的深入，RRAM一定會逐步走向?qū)嵱?，被大量?yīng)用于生活甚至武器裝備中，成為納米特征尺寸下替代現(xiàn)有存儲技術(shù)的新一代存儲器。

［1］宋志棠.相變存儲器與應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

［2］桑野雅彥.存儲器IC的應(yīng)用技巧［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.

［3］宋志棠.相變存儲器［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

Research of RRAM’s Varaiable Resistance Characteristics

SONG Ling
（The 47th Research Institute of China Electrics Technology Group corporation，Shenyang 110032，China）

RRAM（Resistive random access memory）is non-volatile memory（NVM），which stores records based on changing resistance.RRAM is extensively concerned because of its excellent characteristics such as simple cell structure，high speed and low power.This paper introduces RRAM＇s varaiable resistance characteristics in three aspects.

RRAM；Varaiable Resistance；NVM

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.008

TP21

：A

：1002-2279（2014）04-0024-02

宋玲（1979-），女，遼寧盤錦人，工程師，主研方向：軟件工程。

2014-01-20