高密度存儲器技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用淺談

鮑旭恒 吳艷艷

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 454000）

高密度存儲器技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用淺談

鮑旭恒 吳艷艷

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 454000）

高密度存儲技術(shù)指的是能在一個(gè)存儲單元中存儲多個(gè)值以實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的存儲器及其相關(guān)技術(shù)， 本文著眼于市場應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，簡單分析了磁性隨機(jī)存取存儲器、電阻隨機(jī)存取存儲器中高密度存儲器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

高密度；隨機(jī)；存儲；磁性；電阻

信息技術(shù)的高速發(fā)展將人類社會帶入大數(shù)據(jù)時(shí)代，人們創(chuàng)造、捕獲和復(fù)制的信息無處不在，數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長對對作為信息載體的存儲器性能的要求越來越高，制造高密度、高速度、低功耗、小尺寸的存儲器成為現(xiàn)代存儲技術(shù)發(fā)展的潮流。高密度存儲技術(shù)指的是能在一個(gè)存儲單元中存儲多個(gè)值以實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的存儲器及其相關(guān)技術(shù)，其主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1、多態(tài)，即單位存儲單元中存儲的值增多；2、單位存儲單元的體積減小。本文著眼于市場應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，簡單談?wù)劥判噪S機(jī)存取存儲器、電阻隨機(jī)存取存儲器中高密度存儲器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

1 磁性隨機(jī)存取存儲器（MRAM）

磁性隨機(jī)存取存儲器（Magnetic Random Access Memory），簡稱MRAM，采用磁化方向不同所導(dǎo)致的磁電阻不同來記錄0和1。由于存儲位是以磁性方式而不是作為電荷來存儲的，所以存儲器具有非易失性。

MRAM的存儲單元由磁性薄膜構(gòu)成，MRAM的驅(qū)動邏輯裝置等半導(dǎo)體部件集成在半導(dǎo)體襯底內(nèi)。如果非磁性層材料由銅或諸如這類的導(dǎo)體所制成，磁阻效應(yīng)薄膜就被稱為一個(gè)巨磁致電阻薄膜（GMR），巨磁阻（ GMR）型的非磁性層界面處的傳導(dǎo)電子會呈現(xiàn)漫游現(xiàn)象，傳輸電子具有極化特性；如果非磁性層由諸如Al2O3這類的絕緣體所制成，磁阻效應(yīng)薄膜則被稱為一個(gè)依賴自旋隧道磁致電阻薄膜（TMR），其自旋極化電子的穿隧率隨極化方向而改變。MRAM 要求 TMR 材料具有較高的磁電阻比。室溫下高磁電阻比 TMR 材料是目前一個(gè)研究熱點(diǎn)，通常采用Co - F e/ A l- O/ Co - F e 體系磁性隧道結(jié)，室溫磁電阻比可以達(dá)到30－80%。

圖1所示為MRAM存儲單元結(jié)構(gòu)。該MRAM結(jié)構(gòu)配置在半導(dǎo)體襯底上，共需要三個(gè)金屬布線層M1、M2和一個(gè)過渡金屬層TM。除了讀字線RWL，其地線GND、寫字線WWL和位線BL分別處于不同的金屬布線層中。磁性薄膜存儲單元通過過渡金屬層TM、 金屬布線層M2、M1以及相關(guān)接觸孔與晶體管ATR的漏區(qū)相連接，而晶體管 ATR的源區(qū)則和地線GND連接，晶體管ATR的柵極即為讀字線RWL。

圖1

MRAM存儲單元可以方便的嵌入到邏輯電路芯片中，MRAM 可以做到與動態(tài)隨機(jī)存儲器類似的高密度，兼具非易失、高速度、低功耗等各種優(yōu)良特性。

2 電阻隨機(jī)存取存儲器（RRAM）

電阻隨機(jī)存取存儲器（Resistive Random Access Memory），簡稱RRAM，其工作原理為將具有阻變特性的材料夾在兩個(gè)電極之間，阻變材料在不同的外加偏壓下其電阻會在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。RRAM的結(jié)構(gòu)簡單、可縮微性強(qiáng)、功耗低、擦寫速度快、存儲密度高、能與CMOS結(jié)構(gòu)相兼容，因此正日益成為下一代非易失性存儲器的研究重點(diǎn)。

在 RRAM 的集成結(jié)構(gòu)方面，主要由1R （one resistor）、ITIR（one transistor one resistor）和IDIR（one diode one resistor）三種基本單元結(jié)構(gòu)，其中1T1R為有源結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有高密度、易于3D集成的特點(diǎn)，同時(shí)可以緩解串?dāng)_和誤讀問題，而1R和1D1R為無源結(jié)構(gòu)。

根據(jù)所用存儲介質(zhì)的不同，電阻隨機(jī)存取存儲器主要包括有機(jī)RRAM，金屬氧化物RRAM、導(dǎo)電橋接RAM（也稱為可編程金屬單元RRAM）等。

2.1 有機(jī)RRAM

有機(jī)RRAM通常采用“三明治”結(jié)構(gòu)，將具有電雙穩(wěn)態(tài)的有機(jī)薄膜材料（單層或多層）夾在兩層電極之間。目前應(yīng)用于阻變存儲器的有機(jī)半導(dǎo)體材料包括共扼小分子材料和高分子聚合物材料。有機(jī)非揮發(fā)性存儲器的結(jié)構(gòu)主要有兩種：交叉線有機(jī)存儲器和有機(jī)薄膜場效應(yīng)晶體管（OTFT）存儲器。

2.2 金屬氧化物RRAM

美國休斯頓大學(xué)（Houston University） ShangquingLiu和Alex Ignatiev等人公布了利用了龐磁阻效應(yīng) （CMR：Colossal Magnetoresistance）材料中的新現(xiàn)象即電脈沖感應(yīng)電阻（EPIR：Electrical-Pulse Induced Resistance）效應(yīng)的電阻隨機(jī)存取存儲器（RRAM：Resistive RAM）器件。

金屬氧化存儲介質(zhì)阻變層材料主要分為二元過渡金屬氧化物以及多元金屬氧化物。

二元過渡金屬氧化物目前研究較多的有：NiO，ZnO，TiO2，Cu2O，ZrO2等。多元金屬氧化物目前具有阻變效應(yīng)的多元金屬氧化物以三元金屬氧化物（ Sr R uO3、SrZrO3、SrTiO3等）和四元金屬氧化物（ LaxSr1-xMnO3、LaxCa1 - xMnO3、PrxCa1 -xMnO3等）。

2.3 導(dǎo)電橋接RAM或可編程金屬單元RRAM

導(dǎo)電橋接RAM也被稱為可編程金屬單元，它由可編程金屬化材料構(gòu)成。由這種材料組成的存儲元件具有穩(wěn)定靜止高阻態(tài)，但可通過在存儲元件上施加適當(dāng)電壓而編程為穩(wěn)定低阻態(tài)。施加到存儲元件上的適當(dāng)幅度的反向電壓可恢復(fù)高阻態(tài)。通過在可編程導(dǎo)體材料的表面上或穿過該表面生長導(dǎo)電枝晶來產(chǎn)生低阻態(tài)。

3 結(jié)語

在未來存儲領(lǐng)域中，追求高密度存儲仍是一個(gè)終極目標(biāo)，在推進(jìn)高性能存儲器的發(fā)展及其商業(yè)化應(yīng)用的道路上，仍有很多理論及實(shí)踐上的艱辛值得人們?nèi)ヌ剿?。我們相信在研究人員的不懈努力下，一定能夠使存儲器技術(shù)實(shí)現(xiàn)更大的飛躍從而適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的新要求，進(jìn)而更好地為人類社會發(fā)展服務(wù)。

［1］ 葉林秀，李佳謀，徐明豐等.磁阻式隨機(jī)存儲器技術(shù)的發(fā)展-—現(xiàn)在與未來［J］.物理月刊，2004，26：607-619.

［2］韓秀峰.一種新型磁隨機(jī)存取存儲器原理型器件的設(shè)計(jì)與研制［J］.科學(xué)通報(bào)，2007，52（10）：1220.

［3］ 左青云，劉明，龍世兵等. 阻變存儲器及其集成技術(shù)研究進(jìn)展［J］.微電子學(xué)，2009，39（ 4） ： 546－551.

［4］王勇，管偉華，劉明等.阻變式存儲器存儲機(jī)理［J］.物理學(xué)和高新技術(shù)，2008，37（12）：870-874.

［5］施敏，伍國玨.半導(dǎo)體器件物理［M］.陜西：西安交通大學(xué)出版社.2010.

鮑旭恒（1986.10-）男，碩士研究生，研究方向：電路與系統(tǒng)相關(guān)工作。

吳艷艷（1986.06-），女，碩士研究生，從事半導(dǎo)體器件相關(guān)工作（等同第一作者）

TP333

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1003-5168（2015）11-007-02