阻變型非易失性存儲器單元電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與Ｓｐｉｃｅ仿真

李德君　代月花　陳軍寧　柯導(dǎo)明　胡　媛

摘 要：為進(jìn)一步確定阻變型非易失性存儲器的擦寫速度、器件功耗和集成度等實(shí)用化的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)RRAM存儲器單元電路結(jié)構(gòu)，并使用HSpice軟件分別對RRAM存儲器單元結(jié)構(gòu)電路的延時和功耗性能進(jìn)行仿真。同時，通過仿真對雙極型和單極型兩種電阻轉(zhuǎn)變類型及器件工藝進(jìn)行比較和分析，確定1T1R結(jié)構(gòu)電路單元適用于雙極型阻變型非易失性存儲器件，并且電路仿真的結(jié)果為阻變型非易失性存儲器的進(jìn)一步實(shí)用化提供了參考。

關(guān)鍵詞：非易失性存儲器；電阻轉(zhuǎn)變特性；存儲單元結(jié)構(gòu)；1T1R

中圖分類號：TN710文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004 373X(2009)02 001 03

Design of Nonvolatile Resisitive Random Access Memory Cell Circuits and Spice Simulation

LI Dejun,DAI Yuehua,CHEN Junning,KE Daoming,HU Yuan

(School of Electronic Science and Technology,Anhui University,Hefei,230039,China)

Abstract： To confirm the practical performance index such as erase－write velocity,power operation and integration of the nonvolatile Resistive Random Access Memory(RRAM)further,the RRAM cell circuits are designed,besides,the delay time and power operation characteristics of the RRAM cell circuits are simulated by HSpice program respectively.Meanwhile,the two types of resistive switching of bipolar and unipolar nanodevices,together with their corresponding device architectures are compared and analyzed through simulation.1T1R－RRAM cell is expected for bipolar nonvolatile RRAM,and the result of simulation supplies the reference for the further practicality of nonvolatile RRAM.

Keywords：nonvolatile memory;resistive switching characteristics;memory cell circuit;1T1R

0 引 言

隨著微電子工藝進(jìn)入45 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，基于傳統(tǒng)浮柵MOSFET結(jié)構(gòu)的FLASH存儲器將遇到極為嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，相鄰存儲器件單元之間的交叉串?dāng)_（Cross－Talk）變得顯著而無法忽略。對此學(xué)術(shù)界和工業(yè)界主要從阻變型非易失性存儲技術(shù)和納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非易失性存儲技術(shù)兩方面對下一代非易失性存儲器技術(shù)［1－5］進(jìn)行研究，在此設(shè)計(jì)了RRAM［1－5］存儲器單元結(jié)構(gòu)并對其電路單元的延時和功耗進(jìn)行仿真。

1 阻變型非易失性存儲器單元電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于阻變非易失性存儲器的1T1R（1 Transistor and 1RRAM Device）結(jié)構(gòu)單元，如圖1所示，將1個RRAM存儲器件和1個MOS晶體管串聯(lián)組成了1個有源結(jié)構(gòu)。

在圖1中，當(dāng)PL端輸入低電平GND， BL端輸入高電平V_DD時，如果WL端輸入電平高于MOS管的閾值電壓，則MOS管溝道導(dǎo)通，與MOS管串聯(lián)的RRAM存儲單元被訪問，RRAM兩端被施加了一個正向的電壓降。如果該電壓降大于RRAM器件SET過程的阻變閾值，則RRAM器件轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)，即完成了寫“1” 的過程。反之，當(dāng)BL端輸入低電平GND，而PL端輸入高電平V_DD時，如果該電壓降大于RRAM器件RESET過程的阻變閾值，則RRAM器件又變回高阻態(tài)，完成了寫“0”的過程。當(dāng)WL端輸入的電壓不足以開啟MOS管時，MOS管處相當(dāng)于斷開了，對應(yīng)的RRAM器件不會被訪問。

2 1T1R結(jié)構(gòu)RRAM單元電路Spice仿真

2.1 1T1R結(jié)構(gòu)RRAM的I－V模型

阻變型非易失性存儲RRAM器件在外加電壓下的I－V轉(zhuǎn)變特性有兩種情況，一種是雙極性RRAM (Bipolar RRAM),即電阻的轉(zhuǎn)變發(fā)生在相反的電壓極性上；另一種是單極性RRAM(Unipolar RRAM),即電阻的轉(zhuǎn)變發(fā)生在同一電壓極性上。此外，還存在一種特殊的情況，就是正反極性的電壓作用都可以使得RRAM的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾礌顟B(tài)，稱為無極性RRAM［6－7］ (Nonpolar RRAM)，但在具體應(yīng)用中主要考慮上述前兩種類型。所以，圖2分別給出了雙極性RRAM和單極性RRAM的I－V模型。

雖然通過實(shí)驗(yàn)可以得到單個RRAM存儲器件的擦寫速度和功耗，但它與1T1R結(jié)構(gòu)整個存儲單元的速度和功耗存在很大不同，因?yàn)樾枰紤]MOS管可能引入的對存儲單元速度和功耗性能的影響。

2.2 RRAM單元電路延時特性的Spice仿真與分析

基于上面建立的雙極型和單極型RRAM模型，針對圖1所示的1T1R存儲單元結(jié)構(gòu)，使用Spice電路仿真軟件對RRAM單元電路部分引起的延時特性進(jìn)行了仿真。

如圖3所示，對于雙極型RRAM存儲器，SET過程比RESET過程明顯慢得多。而且在SET過程中，器件的阻變閾值u璗越大，寫操作的速度成量級的變慢；在RESET過程中，隨著器件的阻變閾值變大，寫操作的速度變慢的趨勢較緩和，并且趨于飽和。這可能是因?yàn)镸OS管本身溝道傳輸?shù)脑绰┎粚ΨQ性。此外，隨著MOS管尺寸減小，1T1R結(jié)構(gòu)存儲單元的存儲速度變慢，這可能是由于MOS管的工作電流隨著尺寸的減小而減小，所以驅(qū)動RRAM器件電阻轉(zhuǎn)變的能力減小。

圖4與圖3比較，可以發(fā)現(xiàn)，圖4中單極型RRAM存儲器SET過程和雙極型SET過程是一致的，隨著器件尺寸減小整體變化趨勢相同。但是，對于RESET過程，單極型RRAM的存儲速度比SET過程要慢，同時在RESET過程比SET過程減慢的更嚴(yán)重，這與雙極型RRAM不同。但是這也符合上面對雙極型RRAM的RESET過程的判斷，雙極型RRAM利用了MOS管的雙向不對稱傳輸?shù)奶匦?，而單極型RRAM的SET和RESET過程都是在正電壓下完成的，在SET過程中，RRAM處于高阻態(tài)，兩端分壓大，容易獲得驅(qū)動電阻轉(zhuǎn)變所需的電壓降，寫的速度快；而在RESET過程中，RRAM處于低阻態(tài)，需要更多的時間獲得足夠驅(qū)動電阻轉(zhuǎn)變的電壓降，寫的速度慢。

由此可知，基于1T1R存儲單元結(jié)構(gòu)，雙極型RRAM存儲器比單極型RRAM存儲器更有優(yōu)勢，因?yàn)槠銻ESET過程的寫速度要快得多，達(dá)到一個量級以上。同時，如圖3和圖4所示，1T1R存儲單元結(jié)構(gòu)對單極型RRAM存儲器的RESET過程的驅(qū)動能力也有限，只達(dá)到1 V左右，這就增加了在1T1R單元存儲結(jié)構(gòu)中使用單極型RRAM存儲器的限制。

在圖5中，以SET過程為例，反映了BL和WL端的輸入脈沖電壓值u璓對RRAM器件速度的影響，并針對180 nm，90 nm和65 nm MOS管的情況進(jìn)行了比較。由的延時圖可見，隨著BL和WL端的輸入脈沖電壓的增加，基于1T1R結(jié)構(gòu)的RRAM存儲單元在SET過程的寫速度總體上是不斷增加的。這說明基于1T1R結(jié)構(gòu)的RRAM存儲器存在對高速度和低功耗要求的矛盾，需要在具體設(shè)計(jì)中進(jìn)行折衷考慮。

需要注意的是，當(dāng)前討論的所有延時都是1T1R結(jié)構(gòu)中MOS晶體管對存儲電路單元造成的延時影響t_MOS，并沒有考慮RRAM器件本身的延時t_RRAM，實(shí)際應(yīng)該是t_DELAY＝t_MOS＋t_RRAM。

2.3 RRAM單元電路功耗的Spice仿真與分析

基于上面建立的雙極型和單極型RRAM模型，下面針對圖1所示的1T1R存儲單元結(jié)構(gòu)，使用Spice電路仿真軟件對RRAM單元電路部分造成的功耗進(jìn)行了仿真。

由于雙極型和單極型RRAM存儲器的SET和RESET過程的電阻轉(zhuǎn)變所需的驅(qū)動能力不同，圖6和圖7分別為對應(yīng)的器件對1T1R結(jié)構(gòu)存儲單元總功耗p_MM的影響，并同時比較了對應(yīng)180 nm，90 nm和65 nm MOS管的情況。

由圖6和圖7可以看到，無論是雙極型還是單極型RRAM存儲器，RESET過程的功耗比SET過程要大得多，可能是因?yàn)镽ESET過程中，RRAM處于低阻態(tài)，流過單元電路的電流很大；而SET過程中，RRAM處于高阻態(tài)，流過單元電路的電流很小。

另外，無論是雙極型還是單極型RRAM存儲器，1T1R結(jié)構(gòu)的存儲單元的總功耗與MOS管的尺寸無關(guān)。這也表明，隨著MOS管的尺寸減小，對適用于1T1R存儲單元結(jié)構(gòu)的雙極型和單極型RRAM器件性能指標(biāo)的要求都更加嚴(yán)格。

3 結(jié) 語

針對阻變非易失性存儲器技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于1T1R結(jié)構(gòu)的存儲單元，并使用Spice仿真軟件，對基于1T1R結(jié)構(gòu)的雙極型和單極型的RRAM存儲單元電路的速度和功耗特性進(jìn)行模擬仿真，并對結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和分析，為RRAM器件的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考和幫助。

參考文獻(xiàn)

［1］Guan Weihua,Long Shibing,Liu Qi,et al.Nonpolar ㎞onvolatile Resistive Switching in Cu doped ZrO2［J］.IEEE Electron Devices Lett.,2008,29 (5):434－437.

［2］Guan Weihua,Long Shibing,Jia Rui,et al.Nonvolatile Resistive Memory Utilizing Gold Nanocrystals Embedded in Zirconium Oxide［J］.Applied Physics Lett.,2007(91):1－3.

［3］Liu Qi,Guan Weihua,Long Shibing,et al.Resistive Swi－tching Memory Effect of ZrO2 Films with Zr+ Implanted［J］.Applied Physics Lett.,2008(92):1－3.

［4］Guan Weihua,Long Shibing,Liu Qi,et al.Nonvolatile Resistive Switching Characteristics of Binary Oxide with Cu ヾoping［A］.2008 MRS Spring Meeting.2008.

［5］Guan Weihua,Long Shibing,Liu Ming.et al.Resistive Switching Characteristics of Hafnium Oxide with Cu ヾoping for Nonvolatile Memory Application［A］.7th International Semiconductor Technology Conference (ISTC2008).2008.

［6］Lin Chunchieh,Lin Chihyang,Lin Menghan,et al.Voltage－Polarity－Independent and High－Speed Resistive Switching Properties of V－Doped SrZrO3 Thin Films［J］.IEEE Trans.Electron Dev.,2007(54):31－46.

［7］Schindler C,Thermadam S C P,Waser R,et al.Bipolar and Unipolar Resistive Switching in Cu－Doped SiO2［J］.IEEE Trans.Electron Devices,2007(54):27－62.

作者簡介 李德君 女，1984年出生，安徽大學(xué)在讀碩士研究生。研究方向?yàn)樽枳冃痛鎯ζ鳌?/p>