（微电子学与固体电子学专业论文）阻变式存储器的性质研究.pdf

摘要 随着科学技术的进步，半导体制造工艺水平的提高，信息产业得到了快速发展。信 息存储作为信息技术的一部分也得到了空前进步，存储器正朝着集成度不断提高、外观 更加精巧、重量更轻、存取速度更快、存储容量不断增大的方向发展。传统意义上的存 储器是基于晶体管对电荷的存储而制造的，许多时候无法满足信息技术迅速发展的需 要，因此寻找一种高密度、非挥发性，低功耗的下一代存储器已经迫在眉睫。现阶段更 多的研究者们把关注的重点放在非易失性存储器上，例如铁电存储器，磁存储器，相变 存储器、电阻存储器。在这些存储器中，阻变存储器因自身的许多优点普遍受到了人们 的广泛关注，它具有结构简单、读写速度快、制造成本低、功耗低、单个器件可缩小至 数十纳米等特点，在众多的绝缘材料和半导体材料中纷纷发现这种新奇的电阻开关效 应。随着研究的不断进行，我们发现了阻变存储器许多新的有趣的现象：单极性电阻开 关和双极性电阻开关在一定的限制条件下可以相互转化；阻变存储器电学性质i v 曲线 的顺时针旋转和逆时针的旋转受到电形成过程的影响，可以通过控制电形成过程来控制 其旋转方向；我们在阻变存储器的研究中发现了无极性电阻开关和非常规双极性电阻开 关的存在，同时得出非常规双极性电阻开关在合适的条件下可以转化为常规性双极性电 阻开关。这些现象的发现能够为研究者更全面的了解电阻开关的形成机制提供很好的帮 助。然而迄今为止，还没有哪一个理论模型能对这些现象作出一个完整清晰的解释，理 论分析还比较欠缺，仍有大量工作要做。本论文通过激光脉冲技术( p l d ) 匍j 备了薄膜电 阻开关器件，通过改变衬底条件，引入光照等方法来具体研究阻变存储器的机制，另外， 本人在对电阻开关实现逻辑门电路的研究中有些新的想法和研究结果。本论文主要内容 包括以下几个方面1 1 采用脉冲激光沉积技术制备了a u s t o p t 结构的阻变存储器件，通过x 射线衍 射仪( x r d ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 分析薄膜的特性。之后应用 k e i y t h l e y 2 4 0 0 对阻变器件进行电学性能测试，在经历了e l e c t r o f o r m i n g 电压操作后，阻 变器件表现出良好的开关性能，包括较低的阈值电压、良好的抗疲劳性和保持特性。根 据测得的电学性质i v 曲线，应用缺陷和氧空位之间捕获和去捕获理论来解释所得到的 双极性电阻开关性质。另外，根据双极性电阻开关的特点和优势，构造适当的逻辑值， 在前人的基础之上，利用简单的阻变存储器来实现数据存取，结合现代随机存储器的结 构和新型阻变存储器的工艺，实现新型阻变存储器的构造，并将阻变存储器与晶体管存 储器进行简单的比较，在芯片功能，引脚作用，如何实现存储方面进行了介绍。 2 制备了a u n b ：s t o p t 和a u n b ：s t o f t o 三明治结构阻变存储器，通过各种表 征手法分析两种存储器结构上的异同，分别测量它们的电学i v 曲线，由于衬底的不同 曲线趋势会有明显差异，对阻变存储器的性质产生了一定影响，这是因为，肖特基势垒 在阻变开关现象中起到了重要作用。使用l e d 阵列灯光对器件进行照射，观测两种不 同器件在光照后表现出来的共同特征，并根据理论基础解释这个现象。通过不同的激发 电压和限制电流来实现阻变开关器由双极性向单极性的转换，同时，我们知道如果设置 限制电流在使在第一个形成过程产生了足够的热量，同样可以使电阻开关达到金属导电 丝的低电阻状态，器件会立刻产生单极性电阻开关的性质。根据一系列的实验结论，结 合前人提出的理论模型，对阻变存储器的机制进行全面的分析和解释。 关键词：i - v 特性，电阻开关，激光脉冲沉积( p l d ) ，氧空位，导电丝 n a bs t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n ta n da p p l i c a t i o no fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa n d r e s e a r c hh a si m p r o v e dc o n t i n u o u s l y , a n dt h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r yi sr a p i d l yd e v e l o p i n ga l lo v e rt h ew o r l d t h ei n f o r m a t i o ns t o r a g eh a sa l s ob e e na nu n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n t t h ei m p r o v i n gm e m o r yh a sh i g h e r i n t e g r a t i o n m o r es o p h i s t i c a t e da p p e a r a n c e ，l i g h t e rw e i g h t ，f a s t e ra c c e s ss p e e da n dh i g h e rs t o r a g ec a p a c i t y i tc a nn o tm e e tt h en e e do ft h ei n f o r m a t i o nd e v e l o p i n g i t si m p o r t a n tt of i n dn o v e ln o n v o l a t i l em e m o r i e s w i t hh i g h d e n s i t y , h i g h s p e e da n dl o wp o w e rc o n s u m e t oo v e r c o m et h el i m i m t i o n so fc o n v e n t i o n a l s e m i c o n d u c t o rd e v i c e sb a s e do nc h a r g es t o r a g e ，v a r i o u sn e wn o n v o l a t i l e m e m o r y ( n v m ) d e v i c e ss u c h a s ，f e r r o e l e c t r i c ，p o l y m e r , p h a s ec h a n g em e m o r ya n dr e s i s t a n c er a n d o ma c c e s sm e m o r i e s ( r r a m ) h a v e b e e ni n v e s t i g a t e d e s p e c i a l l y , r e s i s t a n c er a n d o ma c c e s sm e m o r y ( r r a m ) i sar e l i a b l ea n da c h i e v a b l e a l t e r n a t i v ea m o n gm a n ys u b s t i t u t e sd u et oi t sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，s i m p l ef a b r i c a t i o np r o c e s sf a s t s w i t c h i n gs p e e d ，e x c e l l e n ts i z es c a l a b i l i t ya n dt h ep o t e n t i a lt ob es c a l e dd o w nt os u b - 1 0 0n ms c a l e w i t h t h eo n g o i n gs t u d y , w ef o u n dt h a tt h er e s i s t a n c es w i t c h i n gal o to fn e wi n t e r e s t i n gp h e n o m e n a ：u n i p o l a r r e s i s t i v es w i t c h i n ga n db i p o l a rr e s i s t a n c es w i t c h i n gc a l lb et r a n s f o r m e di n t oe a c ho t h e lt h el vc u r v e s c l o c k w i s er o t a t i o na n dc o u n t e r c l o c k w i s er o t a t i o no ft h er e s i s t a n c es w i t c h i n g se l e c t r i c a lp r o p e r t i e si s i m p a c t e db ye l e c t r i c a lf o r m a t i o np r o c e s s i nt h es t u d yo fr e s i s t a n c es w i t c h ，w ef o u n dt h ep r e s e n c eo f n o n p o l a rr e s i s t i v es w i t c h i n ga n du n c o n v e n t i o n a lb i p o l a rr e s i s t a n c es w i t c h i n g ，a tt h es a m et i m ew e c o n c l u d e dt h a tu n c o n v e n t i o n a l b i p o l a rr e s i s t a n c es w i t c h i n gu n d e ra p p r o p r i a t e c o n d i t i o n sc a nb e t r a n s f o r m e di n t oac o n v e n t i o n a lb i p o l a rr e s i s t a n c es w i t c h i n g t h ed i s c o v e r yo ft h e s ep h e n o m e n ac a n p r o v i d e9 0 0 dh e l po na m o r ec o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h er e s i s t a n c e s w i t c hf o rt h er e s e a r c h e r s i nt h ep a p e rw ep r e p a r e dt h i n - f i l mr e s i s t o rs w i t c hb yp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) ，a n ds t u d i e dt h em e c h a n i s mo fr e s i s t a n c es w i t c h i n gb yc h a n g i n gs u b s t r a t ec o n d i t i o n sa n dt h e i n t r o d u c t i o no fl i g h t i na d d i t i o n ，ih a v es o m en e wi d e a sa n dr e s e a r c hf i n d i n g so nt h er e s i s t a n c es w i t c h i n g i nt h eg a t e t h ep a p e rc o v e r st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t ，s r t i 0 3 ( s t o ) t h i nf i l mw a sd e p o s i t e do nit ( i t t i 0 2 s i 0 2 s i ) s u b s t r a t eb yp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) t h ef i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ， a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) t h er e s i s t i v es w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ed e v i c ew i t ha u s t o p t s a n d w i c hs t r u c t u r ew a ss t u d i e d ，t h ed e v i c e sh a v eag o o dr e s i s t i v es w i t c h i n gp e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gl o w t h r e s h o l dv o l t a g ef o rt u r n i n go na n do f f t h ed e v i c e ，g o o de n d u r a n c ea n dr e t e n t i o np r o p e r t i e s t h er e a s o n so f t h ef o r m a t i o no ft h ea u s t o p tt h i n - f i l mb i p o l a rr e s i s t i v es w i t c h i n gw a se x p l a i n e d ，i na d d i t i o n ， a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e sa n da d v a n t a g e so ft h eb i p o l a rr e s i s t a n c es w i t c h i n g ，t h ea p p r o p r i a t ee n c o d i n g m e t h o dw a sc o n s t r u c t e d ，u s i n gas i m p l er e s i s t a n c ec h a n g em e m o r yt oi m p l e m e n tl o g i cg a t e sc o n s t r u c t e d w i t had i f f e r e n tm e m o r yt e c h n o l o g yt oa c h i e v en e wr e s i s t a n c e - c h a n g em e m o r yt e c h n o l o g y , a n dr e s i s t i v e m e m o r yt r a n s i s t o rm e m o r yf o ras i m p l ec o m p a r i s o n ，t h ec h i pf u n c t i o n s ，t h er o l eo fp i n ，h o wt oa c h i e v e s t o r a g ew e r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ea u n b ：s t o p ta n da u n b ：s t o f t os a n d w i c hs t r u c t u r er e s i s t a n c es w i t c h i n gd e v i c e w a sp r e p a r e d ，av a r i e t yo fc h a r a c t e r i z a t i o nt e c h n i q u e sw a sa p p l y e dt oa n a l y z et h es i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w ok i n d so fm e m o r ys t r u c t u r e s ，t h e yh a v ed i f f e r e n ti - vc u r v e sb e c a u s eo ft h e d i f f e r e n ts u b s t r a t e s ，t h i si sb e c a u s et h es c h o n k yb a r r i e rp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nr e s i s t i v es w i t c h i n g d e v i c ew a si r r a d i a t e db yl e da r r a yl i g h t ，t h eo ft w od i f f e r e n td e v i c ea c t e dc o m m o nf e a t u r e s 。d i f f e r e n t c o m p l i a n c ec u r r e n tc a u s e dd i f f e r e n te l e c t r o f o r m i n gp r o c e s s a f t e rt h a tp r o c e s sb i p o l a ro ru n i p o l a rr e s i s t i v e s w i t c h i n gb e h a v i o u rw a sp r o d u c e db yd i f f e r e n tc o m p l i a n c ec u r r e n t m o r ei m p o r t a n t , t h ec o n v e r s i o n b e t w e e nb i p o l a ra n du n i p o l a rm o d e sw a sr e v e r s i b l e o u ra n a l y s i ss h o w st h a td i f f e r e n tr e s i s t i v es w i t c h i n g b e h a v i o u rw a sc a u s e db yd i f f e r e n tv a r i a t i o ni nt h ef i l ma td i f f e r e n tc o m p l i a n c ec u r r e n ta n dt h e yf o l l o w e d d i f f e r e n tc o n d u c t i o nm e c h a n i s m s k e yw o r d s ：i - vc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s i s t i v es w i t c h i n g , p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) ，o x y g e ns p a c e ， c o n d u c t i n gw i r e i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 半个世纪来，信息技术进入我们的视野并迅猛发展，促使传统产业向“智能化网 络化”不断优化升级，催生了大批新兴产业，带动全球经济高速增长，改善了人们的生 产、生活方式，推动了人类文明的发展。作为当今世界的主流科技的信息产业成为全球 各国竟相投资发展的战略性产业，各国政府投资大量的人力、物力、财力来致力于信息 技术的研究，信息技术的快速发展，对集成电路技术的要求同时提高【1 1 。集成电路在过 去的几十年的发展基本遵循了i n t e l 公司创始人之一的g o r d o ne m o o r e 博士1 9 6 4 年预 言的摩尔定律【2 l 集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔1 8 个月就翻一番( 图1 1 ) 。 t r ；_ i n sz s t o r s m o o r e sl a w 1 mi ，一_ 、一 1 ( 姒g 。 ， i 。f ii _， _ m ，) ) ：) ( j ( ) ( ) r - f - i ， 1 ( ) f ：( ) ：j0 ( j 0 。： 。 7 。：。 1 。：m ( = ( _ ：( 一i i 、1 _ 一 。 。77 ， 7 。 1 0 dc c ：, o ；。 ， ， i 7 1 ( ) ( 】( ) ：) j 。7 ” j c _ + 1 0 o1 ( j 7 01 9 u 0 。) j i ：】 1 t j f ：)1 i )，【) 0 ：)： t r ) ! i 图1 - 1m o o r e 定律：各代i n t e l 处理器上集成的晶体管数目随年代的变化 那什么是信息技术呢? 简单而言，信息技术就是指信息进行采集、传输、存储、 加工、表达的各种技术之和。要传递信息，首先我们要做的就是要将信息进行编码，按 照一定的编码原则或者编码方法将这些数据按照一定的规则排列起来，这个时候，这些 数据就已经被分割成一串一串的码元，这就是信息要传输的形式，经过编码后的信息如 果想要传输还必须经过压缩，因为经过编码处理过的信息可能会很大，传输起来速度会 很慢同时还会很占据空间，所以我们要对其进行数据的压缩处理，压缩处理过之后才可 以进行传输，传输之前还要将压缩完的信息进行打包放在一个存储装置中，这也就是我 们本文所要介绍的存储器。为了保证信息准确顺利的传递，我们要求信息能够最好的保 基于电阻开关性质和逻辑门电路的研究 持原有的性质而不失去原先的信息。如何才能使信息更好的传递，出现最少的误码率， 尽可能多的降低信息和噪音的比率成为科学研究者重点关注的问题。 科学技术的发展必然会带来一些新的理论创新和新的产品，伴随着科学技术的发展 和人们对信息化的需求，许多科技公司如雨后春笋般蓬勃发展起来，其中有一部分公司 很早就已经着手新一代存储器的研发，例如德州仪器半导体公司，他们公司生产的半导 体器件在全社会上都有着比较高的美誉。现代技术对存储器提出了更高的要求，存储器 必须具备存储容量大，存储密度高，存储功率消耗小，存储时间长等性能。现代的存储 技术对存储器在工艺技术上也做了很大的要求，工艺技术越来越重要，现在已经可以达 到几十纳米级别的工艺，在这样小的量级上进行处理，最重要的就是防止量子效应的产 生，所以我们必须研究和探讨新的存储器的产生，在下面的介绍中我们就会给大家简单 的介绍现在当今社会的技术下，存储技术的发展，以及我们所用到的新型存储器，这些 存储器都是在上一代的基础上研究出来的，他们具有更好的功能和作用，能够应用到现 今社会的各个方面，而且因为其具有体积小，功率小等优点，可以用在集成电路方面， 作为片内存储器或者作为片外存储器。作为片内存储器的时候就是要在芯片内部通过工 艺的方法，将这些存储器的基本原型构造出来。它们一般上都是使用不同的工艺方法， 通过不同的总线来实现的，比如说有地址总线和读取总线，这些都是现在集成电路设备 中必不可少的。另外一种被叫做是片外存储器，它和片内存储器不同的就是它需要通过 一定的命令之后才可以被访问，般来说，只有外加一个脉冲，也就是说在一个操控命 令的作用之下才可能打开片外存储器，片外存储器才可能工作，但是，如果没有这个脉 冲，或者说没有这个外加的命令，片外存储器是不会工作的。 1 2 基于半导体技术的非易失性存储器 基于半导体技术的非易失存性储器【3 捌，这类存储器已经比较成熟，工艺制备也比 较完善，普遍应用于当今科技的各个领域，例如集成电路设计。它的特点就是在器件封 装出厂的时候就已经将程序写入片内，用户只能按照自己所需要的功能购买特定功能的 存储器而不能按照自己的要求改写存储器内部所存储的详细信息。随着科技的进步和人 们的需求，一类新兴的r o m 存储器逐渐诞生，它是可编程的r o m ( p r o g r a m m a b l er o m ， 简称p r o m ) i m l l 】，p r o m 的特点就是可以按照自己的想法要求编写信息放入存储器， 在工厂封装出厂的时候，已经将存储器的内部存储阵列全部置“0 或者“l ”，存储阵 2 第一章绪论 列的设计一般是由一个双极性晶体管和和一段熔丝组成。熔丝的组成一般使用一个软铂 金丝或者镍铬丝，但是现在在工厂大量的生产使用中，为了尽可能降低成本一般使用多 晶硅丝来替代。在使用p r o m 写入所需信息的时候，利用写入电流将熔丝熔断从而将 信息写入存储器内。p r o m 的优点就是写入速度快因为当加上脉冲电流达到电阻丝熔点 时候熔丝会立即熔断从而将信息写入存储器内，但是由于其成本比较高，所以科技工作 者研发了新一代的可以改写的p r o m ( e r a s a b l ep r o m ，简称e p r o m ) 1 1 2 。3 1 。e p r o m 的 特点就是利用脉冲电流写入信息但是利用光照可以将信息删除，之后使用者可以按照自 己的用途再次的进行信息的写入。e p r o m 是由浮置栅m o s 管构成。在工厂封装出厂 的时候，会将存储器上所用的存储单元都置“l ”，当使用者利用编程脉冲对器件进行编 程的时候，存储单元会被瞬间加上一个比较大的脉冲电流将浮置栅m o s 管的源极和漏 极击穿，这样浮置栅上就会存储大量的电荷，又因为浮置栅被s i 0 2 所包围，所以当编 程脉冲电压除去之后电荷不会丢失，m o s 管这个时候处于导通状态，存储信息为“0 ”， 从而完成了使用者对e p r o m 的编程使用。当使用光照射在浮置栅m o s 管的时候，浮 置栅内所存储的电荷会在光照下变为光电流消失，从而完成对e p r o m 所存储信息的光 照删除。 浮栅结构的非挥发性半导体存储器的提出，促使存储器的发展进入了f l a s h 存储器 阶段，f l a s h 存储器【1 4 】是由控制栅电极、控制栅氧化层、浮栅电极、隧穿氧化层和衬底 构成，器件结构如图1 2 所示。f l a s h 存储器的工作原理是通过对器件的栅极、源极、漏 极和衬底适当的电压激励，使得器件沟道中的电子在电场的作用下被拉到浮栅之中被贮 存，这些贮存的电子会将存储器件的阈值电压提升，该状态对应存储器的“0 ”，如果通 过方向相反的电压激励，贮存在浮栅中的电子会被拉出来，这样器件的阈值电压回到原 来的起始状态，对应着存储数据状态“1 ”。东芝公司提出了f l a s h 存储器的概念根据逻 辑结构的不同f l a s h 存储器可以分为n a n d l l 5 1 7 1 和n o r l l 8 】型两种，如图1 3 所示。 浮动栅 控制栅 绝缘层 基于电阻开关性质和逻辑门电路的研究 图1 2 市场上使用的f l a s h 存储器 n a n d 和n o r 型两种存储器是现在市场上普遍使用的非易失性存储器，它们的使 用极大程度上改变了e p r o m 独占市场的局面。n o r 的特点是芯片内部可以执行程序， 应用程序可以直接在f l a s h 闪存内运行，而不必将代码送到系统r a m 中来处理。n o r 存储器的传输效率比较高，在1 - 4 m b 小容量时候具有非常好的应用成本效益，但是由 于由于它的写入和删除速度比较慢所以不能大量应用在快速存储中。n a n d 结构存储器 能够提供极高的单元存储密度，可以达到高存储密度使得该存储器具有很高的写入和删 除速度，但是n a n d 结构存储器的f l a s h 管理需要特别的接口。 b _ 0 l | jw u dh i f ( i _ ，t | _ ， i - - ol - “ 1 - _ ：l 耕1i 柚 i m 5 1 i ，l l j i j 几几几_ 厂l几几 图】- 3n a n d ( a ) $ f ln o r ( b ) 型f l a s h 存储器结构 s r a m l l 9 2 2 1 为静态r a m 的存储器，具有极高的读写速度，在嵌入式系统中常用来 做变量数据缓冲，或者将程序复制在s r a m 上运行，以提高系统的性能，需要注意的 是s r a m 在电源断电之后s r a m 的数据将会丢失，所以不能直接使用s r a m 引导程序 运行。d r a m 为静态r a m 的存储器，具有存储容量大和价格便宜的特点，d r a m 使用 m o s 电路和电容作为存储器件，由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储器的 正确运行，例如每隔2 m s 刷新一次数据。p s r a m 即p s e v o s r a m 器件是异步s r a m 接口技术和利用存储器阵列的高密度d r a m 技术相结合的产物，实际上，这些器件实 现了对主机系统透明地自刷新技术通过扩展包括刷新操作和读出操作两部分时间在内 的读出周期的规定周期时间，使得透明的刷新成为可能，这种方法同样可用于写入周期。 第一章绪论 nc nc n c n c n c n c 篌 g v c c v s s nc nc c l e 镭 n c n c n c nc n c 图1 - 412 8 8 b i tn a n df l a s h 存储器 n c n c n c n c i 0 7 i 0 6 i ，0 5 i 0 4 n c n c n c v c c v s s n c n c nc i ，0 3 i 0 2 i ，0 1 i c i o n c n c n c n c 1 2 8 8 b i t n a n df l a s h 存储器( 图1 4 所示) 工作电压范围为2 7 3 6 v ，存储单元为8 位。特征描述：存储单元为( 1 2 8 m + 4 m ) 8 位，数据寄存器为( 2 k + 6 4 ) 字节。自动页编程 和擦除：自动页编程为( 2 k + 6 4 ) 字节，块擦除为( 1 2 8 k + 4 k ) 字节。页读操作：页大小为 ( 2 k + 6 4 ) 字节，任意读最大时间为2 5 u s ，串行存取时间最小为2 5 n s 。最快写操作周期为 页编程( 写操作) 时间为2 0 0 u s ，块擦除时问为1 5 m s 。 图1 5 市场上使用的d d r 存储器 d d r ( d o u b l ed a t er a t es d r a m ) 双倍速率同步动态随即存储器1 7 2 3 - 2 5 ( 如图1 5 所示) 。 s d r a m 在一个时钟周期之内只能完成一次数据传输，而d d r 是在s d r a m 的基础之 上的改进，它能够在时钟周期的上升沿和下降沿同时完成数据的传输，因此相对于 s d r a m l 2 6 - 2 r 1 来说d d r 具有更快的传输速率。同时d d r 具有更完善的同步性能，它能 够在数据的传输过程中保持地址数据传输的独立性，又能保持与c p u 的同步。d d r 使 5 基于电阻开关性质和逻辑门电路的研究 用了d l l 技术，为延时锁定回路提供一个数据滤波信号。当传输数据有效时可以应用 这个技术对数据进行精确定位。 图1 - 6h i 3 5 1 2d d r c a 典型外接d d r 2s d r a m 拓扑结构 l j 】l 竺l _ il 臣玉亟亟圈l ；1 2 0 _ b ”i【= = 二= = = = = = 二= 【i s oj o l 。兰字种三困面医习主 尹f ll s s p 亘s ，= 烈圈5 1 u l r e 3 ) 。这就是被大家广泛接受的空间电荷限制电流机制( s c l c ) ，当继 续增加电压，大于2 5 v 时候，注入载流子的浓度逐渐的超过了薄膜内部自由载流子浓度， 所以此时注入载流子浓度占主导地位，当电压增 j n n 2 5 v n 4 5 v 之间，i - v 曲线表现出 明显的平方关系，这是因为s c l c 被单一的注入载流子控制，当电压增j j n n 4 5 v n 6 0 v 之 间，电流随着电压的增加成指数增加，之后继续增大电压，我们会发现，电流增加的会 很慢，这是因为，此时的大部分空穴已经被注入的载流子全部占据，这时候的运输机制 符合c h i l d sl a w 因此，当电压从6 v 降f f f , n 0 v ，大量的注入电子已经变为自由电子，因为 基于电阻开关性质和逻辑门电路的研究 空穴已经被沾满，所以此时电阻开关将会维持他的低组态的性质，但是由于被空穴捕获 载流子被释放，在这个过程中，并不是和c h i l d sl a w ，完全相同，电子陷阱和缺陷并不相 同，例如氧空位，n 4 + n b 5 + 蝴n s r 2 + 空位。以上的叙述中我们简单介绍了电阻开关产生 时候其内部产生的变化。 图3 7l o 甙i v ) 一v 的特性曲线 图3 7 显示的电导对数和电压的关系，从图中可以清晰地看出两个不同的电阻状态 组成的两条曲线，可以观察到在大约+ 0 6 v 附近，高低电阻之间的比率达到最大值，大 约为5 0 0 0 ，在阻变存储器应用的过程当中，比较大的高低组态比率能够明显降低信息 存储的误码率，在长时间重复的工作中，存储器难免会出现误码，在平时的信息存储中， 一个误码不会产生太大的影响，但是对于比较重要的信息，比如银行系统，军事航天系 统中是绝对不允许有误码的出现的，较高的高低组态比率能够提高存储器的性能，使存 储器的性能更加可靠。然而正向偏压下的电阻明显比负向的电阻要大，这种不对称归因 于肖特基发射的影响。 3 3 双极性电阻开关实现数据存储 3 3 1 电阻开关进行逻辑值定义 1 9 3 6 年，在晶体管产生十年之前，c l a u d es h a n n o n 发明了数字电子技术，他认为 基本的b o o l e a n 逻辑操作po rq 和p a n dq 可以被应用于简单的电路中。s h a n n o n 证明， 通过增加n o t 功能，简单的电学器件就可以组成复杂的逻辑运算器件。也就是说，选 第三章a u s t o p t 三明治结构电阻开关性质研究 择这个操作可以完成运算，这个简单的逻辑对数字电子线路的发明产生了重大的影响。 事实上，实质蕴涵i m p 和f a l s e 操作( f a l s e 操作可以产生逻辑上的o ) 组成了完整 的逻辑计算基础，它们组成了一个常见电阻电气性质的忆阻器来作为数字开关，三个忆 阻器对于实现逻辑操作是足够的，在s h a n n o n 原始的数字逻辑基础中，忆阻器实质蕴涵 i m p 逻辑值的物理表征和状态是电阻开关。它们组成了实质蕴涵i m p 逻辑最初的状态， 忆阻器开关存储可以动态地定义是存储逻辑值还是逻辑门，具有存储逻辑值的同时还具 有操作逻辑运算的功能，这样的纳米级的电阻开关可以通过使用自己的存储单元被嵌入 纳米级别的门阵列来执行逻辑运算。近来，科学界正在寻找新的架构，能提供物理存储 器逻辑编辑编码解码功能的半导体和绝缘体薄膜材料作为新的存储器引起了科研界的 高度重视l 悖。2 4 1 ，在它们之中，双极性电阻开关被广泛的认为是物理上实现存储器功能的 最好选择，它可以将存储器的电学性质与电阻性质结合起来共同应用，忆阻器1 5 在1 9 7 0 年被c h u a 预测1 1 3 , 1 4 l ，但是一直到2 0 0 8 年才被实现【2 5 之6 1 。近十年人们才观测到它的电压 极性依赖和双极性电阻开关现象，但是它具有电阻可以随着时间改变的性质，根据目前 的状况，穿过它们的应用电压和直流电流来驱动它们工作，当在短时间通过比较小的电 压操作，它们的i v 曲线显示出来可以控制的回线，双态的数字开关和门电路是可以通 过极性相反的电压来被打开( 高阻态) 或者关闭( 低组态) 2 7 】。图3 8 中展示出来的是 理想化的开关性质，当加上一个大于阈值电压的v o p e ，交叉点忆阻器将会从低阻态( 这 里我们定义为1 ) 变为高阻态( o ) ，当加上一个大于v c l o s e 的负电压它就会执行相反的 操作。如果电压的改变微不足道，电阻状态改变也会很小，但是如果应用电压的变化超 过v o p e n 和v c l o s e 有效的阈值，阻变开关会发生迅速变化。 图3 8 开关存储器的实现 3 l 基下电阻开关性质和逻辑i 、j 电路的研究 3 4 双极性电阻开关实现的存储器 图3 - 9 结合电阻开关的性质构造成的存储器 表3 - 1 电阻开关存储器开始工作时候对应的组态( 其中1 代表低阻态，0 代表高阻态) 管脚名管脚描述电阻开关的状态 a o a 7地址输入n i 0 0 m 0 7数据输入 j i o c e 芯片使能 n 0 i i 输出使能 n w e 写使能n i ，b低：于丽远弹i 0 u b高字节选择i 0 n c 窄n v d d 电源n g n d 接地 n 相对于现在普遍流行的f l a s h 型随机存储器，新型阻变存储器具有很多优势，它具 有结构简单、读写速度快、制造成本低、功耗低、单个器件可缩小至数十纳米等特点， 笔者根据阻变存储器的读写操作特性，结合前人总结的双极性电阻开关的编码反方式， 提出了一种适用于新型阻变存储器的操作方法，该方法中会介绍新型阻变存储器需要的 外部供电接口，以及地址输入，数据输入输出等接口，使得阻变存储器应用于嵌入式设 备，方便的实现布局和布线。这种构造方法结合了当今的c m o s 工艺，可以在纳米数 量级实现信息的存储，阻变存储器的存储单元非常小可以存储大量的信息，它与当今广泛 使用的存储器最大的优点在于阻变存储器采用的是纳米数量级的工艺，所以存储容量 第三章a u s t o p t 三明治结构电阻开关性质研究 大，存储器写入数据和读出数据所需要的电压比较小额定功率小，所以能够减少电量的 消耗，能够满足当今迅速发展科技对信息存储的要求。 我们根据现在使用的随机存储器的结构，以及电阻存储器所具有的特点构想利用此 技术将电阻开关做成如图3 - 9 所示的器件，图中显示的是芯片上的主要接口，如果想增 加器件的功能还可以使用扩展接口与外部电路相连接，但是必须考虑芯片之间的兼容问 题。阻变存储器在工作时的状态如表格3 1 所示，其中a 0 a 7 为地址输入，需要采用 通用的寻址方法，根据信息所处的地址位置来寻找到所要的存储单元，从而读取里面存 储的数据，一般地址线分为横线和纵线，这样可以增加数据的读取速度，提高存储器的 性能。i 0 0 i 0 7 为输入输出接口，可以按照命令读取数据或者写入数据，信息的传输 就是通过这几个接口来实现的。c e 接口为“使能够 ，要想访问这个存储器必须将这个 接口打开，否则禁止访问，一般情况下我们规定高电位时候存储器处于打开状态，这时 可以读取数据，低电位时为关闭状态，这时候外界禁止访问此存储器。o e 、w e 为输出 使能和写使能，要想从存储器输出数据或者写入数据必须将这个接口打开，一般情况下 我们规定，高电位时候为打开状态，这时存储单元处于导通状态，数据可以输出和写入， 当去掉高电位，存储单元处于断开状态，存储单元无法进行数据的输出和写入。l b 、u b 为低字节选择和高字节选择，将信息分为高低字节，便于有效的提高寻址的速度提高存 储器的传输速度。v d d 为芯片的外部供电电源，存储器要工作就需要供电，目前的集成 电路中一般芯片的工作电压为1 5 v 、3 v 或者5 v 。但是由于阻变存储器读写数据时候仅 仅需要很小的电压，所需存储电压比较小，远远低于这个数量级。当然一般情况下还需 要加入电磁干扰防护、浪涌保护、断电保护等，这些保护的设置比较复杂需要根据具体 电路设计，这里不再讨论。由此我们不仅实现了双极性电阻开关与逻辑值的对应，还可 以将其做成存储器应用在电子器件中。 3 5 本章小结 本章内容主要介绍了a u s t o p t - - - 明治结构阻变存储器的制备和电阻开关性质的研 究，通过x 射线衍射仪( x r d ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 等表征手 法对所得薄膜进行结构分析，用k e i y t h l e y 2 4 0 0 电学源表对阻变器件进行电学i v 测试， 在经历了电形成过程之后，阻变器件表现出良好的开关性能，包括较低的阈值电压、良 好的抗疲劳性和保持特性。根据测得的电学1 v 曲线，结合x 射线电子能谱( x p s ) 分 3 3 基丁电阻开关性质和逻辑门电路的研究 析得到的元素的化合价等信息，应用缺陷和氧空位之间捕获和去捕获理论来解释所得到 的双极性电阻开关性质。另外，根据双极性电阻开关的优势和特点，构造适当的逻辑值， 在前人的基础上，利用简单的阻变存储器来实现数据的存储，并结合当代随