（微电子学与固体电子学专业论文）阻变存储器电路设计.pdf

塑墨 f 掣1 1 11 2 11 0 1 16117 i i i8 i i11ii l 粤 摘要 随着集成电路与半导体加工工艺的不断进步，现有的存储器越来越难以满足 电子产品的需求。作为一种新型非易失存储器，阻变存储器以其优越的性能得到 了业界的广泛认可。 本文首先研究了r r a m 器件的基础理论。根据r r a m 器件的物理特性，采用 两种方法对r r a m 器件进行行为建模。其中基于v e r i l o g a 语言的r r a m 器件模 型成功应用到后续r r a m 存储器电路的仿真验证中。其次，本文开展了r r a m 器 件集成技术研究。设计了基于1 r 型结构的r r a m 存储阵列及其读写方案，理论 计算和仿真验证表明，所设计的读写方案能够满足设计要求。最后，在r r a m 器 件模型和读写方案的基础上，本文基于1 8 伏s m i c0 1 8 i - t mc m o s 工艺，设计了 一个存储容量为1 6 x 3 2 b i t 的r r a m 存储阵列及外围读写电路( 包括译码器，灵敏 放大器，电平选择电路，存储阵列，控制电路等) ，利用c a d e n c e 工具对r r a m 存 储器电路进行了仿真验证。仿真结果表明，r r a m 存储器工作正常并能实现数据 的准确读写，不存在误读和误写现象。 关键词：阻变存储器阻变器件模型存储阵列读写方案读写电路设计 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i ta n ds e m i c o n d u c t o r p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , i t i sm o r ea n dm o r e d i f f i c u l tf o ra v a i l a b l em e m o r i e st om e e tt h e r e q u l r e m e n t so fe l e c t r o n i cp r o d u c t s a san e wt y p eo fn o n - v o l a t i l em e m o r y , r r a m ( r e s i s t i v er a n d o ma c c e s sm e m o r y ) ，w h i c hh a s s u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，h a sb e e nw i d e l v a c c e p t e db yt h ei n d u s t r y f i r s t ，b a s i ct h e o r yo fr r a md e v i c ei ss t u d i e di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h e p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr r a md e v i c e ，b e h a v i o rm o d e l so fr r a m d e v i c ea r eb u i l t b yt w om e t h o d s b a s e do nv e r i l o g al a n g u a g e ，o n eo ft h er r a m d e v i c em o d e l si s a p p l i e dt os i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o no fr r a m c i r c u i t t h e n ，i n t e g r a t e dt e c h n o l o g i e s o fr r a md e v i c ea l es t u d i e d b a s e do n1r t y p es t r u c t u r e ，r r a ms t o r a g ea 】哪觚d 眦s c h e m ea r ed e s i g n e d t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t 帆s c h e m ed e s i g n e dc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y b a s e do nr r a m d e v i c em o d e la n d 帆s c h e m e ，a s t o r a g ec a p a c i t yo f16 x 3 2 b i tr r a m s t o r a g ea r r a v 锄d p e r i p h e r a l 帆c i r c u i t ，w h i c hi n c l u d ed e c o d e r s ，s e n s i t i v ea m p l i f i e r s ，v o l t a g es e l e c t i n g c l r c u i t s ，am e m o r ya r r a y , c o n t r o lc i r c u i t s , a r ed e s i g n e di ns m i c0 18 岬c m o s p r o c e s s i n g t h er r a mc i r c u i th a sb e e n i m p l e m e n t e da n dv e r i f i e db yc a d e n c 已 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er r a m c i r c u i tn o to n l yw o r kn o r m a l l y , b u ta l s o 州t e a n dr e a dd a t aa c c u r a t e l yw i t hn oe r r o r k e y w o r d s ：r r a mm o d e lo fr r a md e v i c e s t o r a g ea r r a y w rs c h e m e d e s i g no fw rc i r c u i t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 半导体存储器诞生于上世纪6 0 年代，至今已有大约5 0 年的发展史。经过5 0 年的发展，存储器种类也越来越多，然而不同种类的存储器有着截然不同的特性。 若按照存储方式和功能来分，半导体存储器可分为挥发性存储器( 随机存储器 r a m ) 和非挥发性存储器( 只读存储器r o m ) 两大类，挥发性存储器是指存储器存 储的信息需要电维持，存储器断电后，数据丢失，如d r a m ( 动态随机存储器) ， s r a m ( 静态随机存储器) 等都属于挥发性存储器。非挥发性存储器则相反，存储 器断电后，存储信息继续保留，如现在主流的“闪存”( f l a s h ) 。图1 1 给出了半导 体存储器的具体分类。 半导体存储器 随机存储器r a m 双极型r a mlim o s 型r a m 只读存储器r o m r o m | ip r o mi le p r o m | ie e p r o mj | f l a s h i ! 坠丝il 望坠丝i 图1 1 半导体存储器的分类 由于便携式电子产品( 手机，m p 3 ，u 盘，笔记本电脑) 的普及，非挥发性存 储器，特别是f l a s h ，所占据的市场份额也越来越大。但这类存储器需要较大的操 作电压、较低的存储速度、复杂的电路结构等缺点都难以满足现代电子产品的需 要。而且f l a s h 在工艺缩小时按比例缩小存在很大困难，特别是在3 2 n m 技术以下， 这种存储器难于保证其功能。为解决这些问题，基于以电阻值变化为信息存储方 式的多种新型非挥发性存储器得到迅速发展，如铁电存储器( f r a m ) 【1 1 ，磁存储 器( m r a m ) 1 2 ，相变存储器( p r a m ) 3 1 ，阻变式存储器( r r a m ) 4 4 】。虽然对 于铁电存储器，磁存储器，相变存储器的存储机理已有公认的理论解释，但对阻 变存储器的阻变机理仍没有统一的，公认的理论解释。尽管如此，阻变存储器拥 有低操作电压、功耗低、结构简单、存储密度高、读写速度快、保持时间长( 理 论分析，可保持十年左右) 、与c m o s 工艺相兼容等特剧6 】而被广泛研究。从表1 1 可看出相对于其它新型非挥发性存储体，r r a m 具有材料简单，较低的转换功率、 阻交存储器电路设计 高读写速度、耐擦写和良好的记忆性等优势一。因此，阻变存储器也被认为可取 代s r a m 、d r a m 、f l a s h 等现代主流存储器的下一代新型存储器。 表i ir r a m 与其他非挥发性存储器比较 4 5 r i m 节点单 p r a m 相变存储器件m r a m 磁变存储器件r r a m 阻变存储器件 元器件 t a p t m n c o f e r u c o f e 材料 n n g e s b t e 门n n t i n t i h f o x t i n b m g o c o f e b t a 写入功耗 3 0 0 肛w6 0 v , w5 0 1 t w 转换时间 l o o n s4 n s5 n s 1 0 6 ，1 0 l o r e p o r t e di n 耐擦写 1 0 1 2 1 0 1 4 d ma b s t r a c t 记忆性 1 0 y e a r s ，8 5 c 1 0 y e a r s ，8 5 c 1 0 y e a r s ，8 5 。c 从2 0 0 0 年后，r r a m 存储器才被深入的研究，r r a m 存储器的实用产品至今 还没推出。因此，现在对r r a m 存储器进行系统性的研究显得尤为重要，本课题 也是在这个背景下提出的。本课题的主要工作是通过r r a m 器件模型，设计并仿 真验证r r a m 存储器电路。这可为以后r r a m 存储器的电路设计提供了一种合适 的设计方案，加速r r a m 存储器的市场化推进。 1 2r r a m 存储器的发展历史和研究现状 r r a m 存储器是一种全新的存储概念，它是利用电阻值的不同实现信息的存 储。通过对r r a m 器件施加超过不同阈值的偏置电压，可以实现r r a m 器件的电 阻值在高阻态和低阻态之间转化，从而实现信息的存储。而当对r ra m 器件施加 一个小的偏置电压时，器件的阻态保持不变。这时通过读出器件的电阻值，实现 信息的读取。 r r a m 存储器的理论提出是在上世纪7 0 年代。1 9 7 1 年，加州大学伯克利分 校电子工程师蔡少堂发表了寻获失落的忆阻器一文1 8 1 。文中，蔡少棠提出了忆 阻器的概念。但由于实验条件的限制，在很长一段时间内没有物理实现的元器件， 忆阻器的研究也没有得到足够的重视。 直到2 0 0 0 年，美国休斯敦大学的研究人员报道了在庞磁阻氧化物薄膜器件中 发现电阻转化特性 9 1 ，即在器件的端口外加电压脉冲的情况下，器件的电阻值在高 阻态和低阻态之间可逆转换。在器件端口无偏置电压的情况下，器件的阻态仍能 保持不变。这是历史上首次测得器件阻值的转换。基于这一效应，科学界提出了 第一章绪论 r r a m 阻变存储器的概念。 从2 0 0 0 年开始，有关r r a m 存储器的研究论文数量逐年增加，已成为新的 研究热点。国内外许多大学、研究机构和公司加入到r r a m 器件的研究。其中， 在2 0 0 2 年，夏普公司在“i e d m ( 国际电子元器件会议) 上发表了关于r r a m 器 件的论文而受到业界关注，但公司此后没有任何动作，只是做了一次学术报告。 然而在2 0 0 4 年1 2 月举办的“i e d m ”会议上，三星公司已经就使用不同材料的 r r a m 器件进行技术发表。虽然当时，夏普公司认为“r r a m 技术仍为时尚早 ， 但三星的研究人员却认为三星的r r a m 存储器有可能很快投入生产。这是因为： 其一，r r a m 器件使用的是普通的半导体材料；其二，三星已经完成与r r a m 存 储类似的存储容量为6 4 m b i t 的p r a m 存储器。在此同时，国内外的科技工作者对 r r a m 器件的工作机理和理论解释的研究工作也在同步进行。 在2 0 0 6 年，惠普公司的s t a n l e yw i l l i a m s 为全球实用性的r r a m 存储器申请 了美国专利。并在2 0 0 8 年，惠普实验室成功制作了一种纳米双端电阻开关的水平 阵列。并在 n a t u r e ) ) 上发表论文：t l l em i s s i n gm e m r i s t o rf o u n d sb o j ，并宣布发 现阻式存储器，这种存储器是一种双端口半导体器件，用交叉矩阵中的两个金属 电极夹二氧化钛的结构制造，图1 2 为h p 设计的阻式存储器的示意图。经实验证 明这种器件的电阻特性符合蔡少棠理论提出的忆阻器。 图1 2i - 1 p 设计的忆阻器示意图 国内很多高校、研究所也于五年前开始对这一新型存储体进行理论和器件制 造研究，并发表了不少论文，取得了一些进步。在很多论文中都详细的介绍了 r r a m 器件的阻变现象，并对阻变现象进行理论解释。比较重要的论文有中科院 微电子所的研究小组在中国科学上发表的论文： p r o g r e s si nr e c t i f y i n g b a s e d r r a m p a s s i v ec r o s s b a ra r r a y ) ) ；在 a p p l i e dp h y s i c sl e a e r s 上发表两篇关于掺杂 二元氧化物的阻变效用；在( ( i e e ee l e c t r o nd e v i c el e a e r s 上发表论文：( ( n o n p o l a r n o n v o l a t i l er e s i s t i v es w i t c h i n gi nc ud o p e dz r 0 2 等。 虽然国内外对r r a m 器件研究取得了不少成果【l l - 1 4 ，但总体上来说，对r r a m 存储器的研究仍处于起步阶段，r r a m 存储器的理论和电路设计等都需要进一步 4 阻变存储器电路设计 的研究。近几年，我国对集成电路，特别是存储器的需求量日益增多。在2 0 0 7 年， 存储器就占据1 4 的集成电路的市场份额。r r a m 存储器的出现，也给我国带来 了在半导体产业技术方面追赶发达国家的机遇。 由于r r a m 存储器是一种新型的存储器，现在国内外的研究主要集中在对 r r a m 器件结构和工作机理上，而对r r a m 器件的集成研究比较少，特别是r r a m 存储器的电路设计，基本没人进行研究。而r r a m 存储器的应用，必然要设计搭 建r r a m 存储器电路。因此，现在设计r r a m 存储器电路是必不可少的工作。电 路设计的好坏也直接影响r r a m 存储器的性能。本课题就是在这个背景下提出的， 课题主要工作是研究r r a m 存储器的电路，并通过r r a m 器件模型搭建实际的电 路结构，进行电路仿真验证所设计的电路是否能满足功能要求。 1 3 本论文的主要工作和论文框架 本文的主要工作是研究r r a m 存储器电路，并设计了容量为1 6 x 3 2 b i t 的 r r a m 存储器。本文从设计r r a m 存储器的r r a m 器件模型开始，到理论分析 r r a m 存储器电路的读写工作原理，最终提出一种r r a m 存储器的电路设计方案。 根据电路设计方案具体设计r r a m 存储器电路，并通过仿真验证r r a m 存储器电 路是否达到设计要求。 本篇论文主要分为六个章节，各章节的主要安排如下： 第一章为绪论部分，主要概述本课题的研究背景、r r a m 存储器的发展现状 以及研究意义。 第二章为r r a m 器件及模型建立，在本章中首先详细描述r r a m 器件的阻变 特性，并进行理论解释，接着简单的介绍r r a m 器件的制备工艺，最后根据r r a m 器件的阻变特性设计r r a m 器件模型。本章的重点内容为采用两种方法设计 r r a m 器件的模型并进行电路仿真验证。 第三章，主要内容为r r a m 器件集成的方式和存储阵列的读写方案，主要分 析了三种集成方式。然后分别提出r r a m 存储器电路的读写设计方案。并对几种 设计方案进行理论分析和对比，最后验证本文设计的读写方案是否满足设计要求。 第四章，首先提出r r a m 存储器电路设计的整体构架，确定电路的性能参数。 然后详细设计各个模块，重点分析灵敏放大器、译码器、控制电路、电平选择器 等几个模块。最后对各个模块进行仿真验证。 第五章为r r a m 存储器电路的整体仿真验证，并对结果进行分析。为验证 r r a m 存储器是否完全符合设计要求，特别对r r a m 存储器的最坏情况进行仿真。 第六章，总结整篇论文的工作，总结本文的主要贡献，分析工作中的不足， 并指出下一步研究的方向。 第二章r r a m 器件及模型建立 5 第二章r r a m 器件及模型建立 r r a m 存储器的核心是存储器件，而r r a m 器件本身是一种新型的器件结构， 对r r a m 器件进行模型建立必不可少地要对r r a m 器件进行深入研究。本章的重 点在于，研究r r a m 器件的物理特性和理论解释，对r r a m 器件进行行为建模， 并进行简单的仿真验证。 2 1 1 阻变现象 2 1r r a m 器件简介 阻变现象是r r a m 器件所特有的物理现象，它是指某些介质材料在外电场的 作用下，其阻值能够发生变化的现象。具有阻变特性的介质材料，在外电场的作 用下，其晶格结构会发生可逆变化，表现为器件的高、低阻态变化。器件阻值的 变化在外电场移除后仍能保持，因此具有非挥发的特性。基于这种特性制造的器 件称为r r a m 器件( 阻变存储器件) 。通过这几年的深入研究，越来越多的材料 被用于制作r r a m 器件。其中，基于s r z r 0 3 材料制作的器件则是r r a m 器件中 的一种。在图2 1 中给出了s r z r 0 3 器件的i v 曲线【1 5 】。由图可知，s r z r 0 3 器件阻。 态转化的阈值电压大约是1 7 v 和1 5 v 。 鼋 流 密 窭 j 图2 1s r z r 0 3 器件的i v 曲线 6 阻变存储器电路设计 研究表明，r r a m 器件存在两种不同的阻变特性。一种是“单极型”或“无 极型”( u n i p o l a r ) 1 6 】，另一种是“双极型 ( b i p o l a r ) 1 1 7 1 通常定义r r a m 器件 的阻值从高阻态到低阻态的转变过程称为s e t 过程，阻值从低阻态向高阻态转变的 过程称为r e s e t 过程。这两种转化各有一个阈值电压：s e t 电压和r e s e t 电压。如 果如图2 2 ( a ) 所示，s e t 电压与r e s e t 电压并无极性条件要求( s e t 电压和r e s e t 电压可正，可负) ，则这种r r a m 器件为单极型r r a m 器件，或称为无极型r r a m 器件。如果如图2 2 ( b ) 所示，s e t 电压与r e s e t 电压极性相反，则这种r r a m 器 件为双极型r r a m 器件。 电流 绝对 值 ( 对 数坐 标) 2 1 2r r a m 器件结构 跹趴 纱 刁l 图2 2r r a m 器件两种不同的阻变现象 r r a m 器件属于薄膜器件，它通常采用m i m 结构( 如图2 3 所示) ，其中“m ” 是特定的金属电极，“i ”是具有阻变特性的阻变材料，虽然有机物材料也可做阻变 材料，但通常用的是与半导体兼容性更好的氧化物薄膜材料。r r a m 器件工作的 必要条件是阻变特性，而且m i m 结构能够存储高阻态和低阻态两种稳定状态。下 面将分情况讨论阻态转化过程： l 金属电极 阻变材料 l 金属电极 图2 3m m 结构示意图 第二章r r a m 器件及模型建立 1 ) 对于双极型r r a m 器件，当且仅当所加电压大于r r a m 器件r e s e t 电压， 并且与r e s e t 电压极性相同的时，r r a m 器件会变为高阻态；当且仅当所加电压大 于r r a m 器件s e t 电压，并且与s e t 电压极性相同时，r r a m 器件会变为低阻态； 在其它情况下，r r a m 器件的阻态保持不变。 2 ) 对于单极型r r a m 器件( 假设r e s e t 电压值大于s e t 电压值) ，当所加电 压大于r r a m 器件r e s e t 电压时，r r a m 器件会变为高阻态；当所加电压小于 r r a m 器件r e s e t 电压且大于s e t 电压时，r r a m 器件会变为低阻态；在其它情况 下，r r a m 器件的阻态保持不变。 具有阻变特性的r r a m 存储材料有很多，主要有：金属氧化物 1 8 - 2 0 ，如氧化 锌( z n o ) 、二氧化钛( t i 0 2 ) 、氧化镍n i o 等；类似钙钛矿型化合物【2 l l ，如锆酸 锶( s r z r 0 3 ) 、镨酸锰氧( p r o 7 c a o 3 m n 0 3 ，p c m o ) 等；还有有机化合物材料【2 2 琊j 等。电极材料则一般用n 、n 、舢等金属。由于具有阻变现象的材料种类很多， 且不同材料的阻变特性差异较大。在表2 1 给出了几种r r a m 器件参数【1 5 1 ，其中 比较重要的参数有：阻变转换电压( 由低阻态向高阻态转化的转化电压v r 酬，由 高阻态向低阻态转化的转化电压v s c t ) ，为与现有c m o s 电路兼容，阻变转换电压 最好在5 v 以下；高、低阻态阻值比，为有效区分两种阻态，高、低阻态阻值比应 尽量大，常见的r r a m 器件阻值比可达1 0 3 ；器件的读写速度；器件状态转化次 数及状态保持时间；器件功耗等。 表2 。l 几种常见r r a m 器件比较 d i e l e c t r i c c u - m o o ,p c m op c m o v 讥r l f o x g e o , s t og e o , h f o n t b 呲up t w嗍t i n ， r i nn i 厂i a nn i 厂r a n e l e c t r o d e 0 1 衅， i s c t ， v s e t 1 0 0 m a ，2 vl m a ，3 vl m a ，- 4 v 2 5 衅，l v0 1 衅，3 v 1 1 v i r c 鳓， - 8 0 m a ， - 1 0 衅， 0 1 n a ，- 0 3 h a ， l 衅，3 v1 0 衅，4 v v r 酬 - 1 5 v- 1 - 2 vo 1 3 v一1 8 v h i 己s l r s2 05 x 1 0 21 0 1 0 3 1 0 59 1 0 2 c y c l e s ， 1 0 6 ，l 峪1 0 6 ，l 坶 1 0 4 1 0 6 ，5 n s1 0 6 ，5 0 n s1 0 6 ，2 0 n s p u l s e 2 5 t t w ，4 9 w ，0 3 1 x w ， p 融，p 胁斌2 0 0 ，1 2 0 m w3 m w ，3 1 x w 1 2 9 w 1 6 p w 0 6 n w 8 阻变存储器电路设计 2 1 3 几种常见的r r a m 器件 1 ) 锆酸锶( s r z r 0 3 ) 器件 a b e c k 等人【2 4 】上利用脉冲激光薄膜沉积技术( p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ，p l d ) 在( 1 0 0 ) 方向的锆酸锶晶体掺杂铬生长锆酸锶薄膜，并用铂( p t ) 或钌酸锶( s r r u 0 3 ) 做金属电极，做成r r a m 器件。其i v 关系图如图2 1 所示，电流值可在1 7 v 偏 压下电流值迅速由高变低，即器件由低阻态转变为高阻态；在一1 5 v 偏压下，电流 值迅速由低变高，即器件由高阻态转变为低阻态。其中，高电流值是低电流值的 1 0 倍左右，此物理现象可重复出现。由此可见，锆酸锶是一种“双极”材料。由 于薄膜本身是单晶，因此在阻态转化时，不可能靠薄膜本身进行单晶与非晶转变； 此外由电流和温度的转化关系可知，金属丝对电阻变化的影响也不大：因此，器 件阻态转变的原因可能是器件薄膜的电荷转移造成的，然而电压脉冲的极性对器 件阻态的影响至今没有合理的理论解释。此外，锆酸锶r r a m 器件也可用射频磁 控溅射法( r a d i o f r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g ) 和电子束诱导电流法( e l e c t r o n b e a mi n d u c e dc u r r e n t ，e b i c ) 制造。其中c h u n - c h i e hl i n 等人采用射频磁控溅射 法制成锆酸锶薄膜，并用铝和镍酸镧( l a n i 0 3 ，l n o ) 做金属电极。作者对所制 作的锆酸锶器件的理论解释为：在由高电阻转换成低电阻的过程中，施加偏压的 电子会找到一条比较容易导通的导电路径，这些导电路径是由点缺陷所构成，如 氧空位、离子和电子缺陷，电子由电极的一端穿过这些缺陷到达另一端造成电流 值的突然上升。所以，电阻态由高阻态转换成低阻态是由导电路径形成造成的。 相对的，由低阻态转化成高阻态的过程是那些导电路径断裂造成的，在锆酸锶薄 膜中的缺陷在正偏压施加的过程中会随机抓住电子，缺陷抓住电子后会造成部分 导电路径断裂，当缺陷抓住足够多的电子后，导电路径完全断裂，造成电流值下 降，电阻态由低阻态转换至高阻态。无论使用什么方法制造这种r r a m 器件，所 有的理论解释都围绕晶体缺陷进行分析研究的。 2 ) 二氧化钛( t i 0 2 ) 器件 h p 公司在2 0 0 8 年制造的r r a m 存储阵列就是用二氧化钛作存储介质制造的， 电极材料采用p t 。并且t i 0 2 存储器是一种无极型存储器，即电流值的改变只与所 加电压值的大小有关，与所加电压的方向无关。图2 4 给出了t i 0 2 器件实际的i v 曲线图，其中，金属电极采用灿。从图可看出，t i 0 2 器件工作特性是：当操作电 压从0 v 开始向正方向( 上电极的电压值比下电极的电压值高) 扫描，当扫描到 1 0 v 时，电流值急剧上升，电阻态由高阻态变为低阻态；当操作电压重新从0 v 开始向正方向扫描，当扫描到0 5 v 左右时，电流值急剧下降，电阻态由低阻态变 为高阻态。并且对于这种材料，无论从正方向还是从负方向加偏压，都有阻变现 象。通过研究表明，无论在高阻态还是低阻态，二氧化钛薄膜都存在导电通路。 第二章r r a m 器件及模型建立 9 高阻态时，二氧化钛薄膜基本没有导电通路；低阻态时，存在大量导电通路。阻 态转变的原因是导电细丝( f i l a m e n t ) 的形成与断裂。 电 流 暑 v 图2 4 t i 0 2 器件的i - v 曲线 3 ) 镨酸锰氧( p r o 7 c a o 3 m n 0 3 ，p c m o ) 器件 s t s u i 等人1 2 5 】在p c m o 材料上电镀银材料制成r r a m 存储器件，其电流电压关 系图和t i 0 2 器件类似，同属于无极型器件，因此不再详细描述。研究表明，这种 材料的导电机制与其它材料不同，当对其加一小偏压时，电极限制效应其主要作 用；而当对其加一较大电压时，空间电荷限制电流效应其主要作用。并且发现这 种材料的高低阻态比与电压值无关，这说明，高低阻态的电流传导机制是一样的。 有研究认为p c m o 器件的阻变效应是由p c m o 薄膜的界面变化造成的，但也有人 认为阻变效应是由p c m o 材料本身变化造成，而与界面态和金属电极无关，选用 不同的金属电极对镨酸锰氧器件影响不大。 2 2r r a m 器件的工作机理 由于对r r a m 器件研究才刚刚起步，制造r r a m 器件的材料种类很多现对阻 变现象的解释没有统一的理论。现提出很多理论解释阻变效应，主要有：导电细 丝理论( f i l a m e n t ) 、肖特基发射理论( s c h o t t k ye m i s s i o n ) 、s c l c 理论( s p a c ec h a r g e l i m i t e dc u r r e n t ，空间电荷限制电流理论) 、f p ( f r e n k e l p o o l e ) 效应等。在本节将 深入研究这几种导电理论。 1 0 阻变存储器电路设计 1 ) 细丝理论 一。 i 哼x 0 沁；。 t i n ( a ) 初始状态 t i n ( b ) 形成过程 t i n ( c ) 断裂过程 图2 5 导电细丝形成与断裂不恿图 在此理论下，在金属电极加一大于v s 武的电压时，在介质材料层会形成导电 细丝，由于导电细丝的存在，使得电子更容易通过介质材料，表现为电流迅速增 大，r r a m 器件处于低阻态( l r s ) ；当对金属电极加一大于v r e s e t 的电压时，介 质材料中的导电细丝断裂，使得电子很难通过介质材料，表现为电流会迅速降低， r r a m 器件处于高阻态( h r s ) 。导电细丝来源有两种观点 2 6 - 2 7 ，一种是：当对金 属电极加一大于v s d 的电压时，金属电极的金属离子进入阻变材料，在阻变材料 形成导电细丝，当对金属电极加一大于v r 刚的电压时，较大的电流产生较大的焦 耳热使导电细丝断裂。另一种观点认为，导电细丝来源于阻变层本身。在不同的 偏压下，介质层中氧空位形成与消失，可解释为导电细丝的形成于断裂。在图2 5 中，给出了导电细丝形成与断裂的示意图。 2 ) 肖特基发射理论 在此理论中，r r a m 器件的阻变效应是由于肖特基势垒高度的变化造成的， 当对r r a m 器件加一达到阈值电压的正向电压时，肖特基接触的耗尽层的有效厚 度降低，电子隧穿的几率增大，使得r r a m 器件变为低阻态；当对r r a m 器件施 加达到阈值电压的负向电压时，由电极注入的电子与介质材料中的氧空位复合， 使得自由电子减少，耗尽层厚度增大，使得r r a m 器件变为高阻态。此理论主要 用于解释双极型r r a m 存储器的阻变效应，如p t z r 0 2 p t 结构的r r a m 器件的阻 变效应就用这种理论解释的j 。 3 ) s c l c 理论 s c l c 效应是一种受缺陷控制的机制【2 9 】。s c l c 传导发生时，金属电极必须是 欧姆接触。在r r a m 器件电极加一小电压情况下，由于薄膜存在缺陷，使注入的 电子几乎全部被陷阱捕获，没有自由移动的电子，此时电流受到薄膜半导体导带 中的电荷限制，即产生空间电荷限制电流效应，因此通过r r a m 器件的电流非常 第二章r r a m 器件及模型建立 小，器件处于高阻态；当在金属电极加一大于v s c t 电压时，薄膜内的陷阱全部被 电子填充，此时可认为无电荷限制电流效应，大量电子可通过薄膜材料，因此 r r a m 器件的电流值很大，器件由高阻态变为低阻态。当撤去所加电压时，陷阱 仍被电子填充，因此能保持低阻态。当对r r a m 器件加一反向大于v 触电压时， 陷阱中的电子被激发出来，当撤去所加电压后，陷阱仍没被填充，因此r r a m 器 件由低阻态变为高阻态。由此可见，s c l c 理论主要用于解释双极型r r a m 器件 的阻变效应，并且s c l c 理论中的i v 曲线与温度有关。 4 ) f p 效应 此理论主要解释以较高密度缺陷的的介质材料做r r a m 器件的阻变效应。此 效应与s c l c 效应类似，也是一种与陷阱有关的导电机制。由于介质材料存在大 量缺陷，这些缺陷会形成多余的能级，严重限制了扩散电流和漂移电流，而且在 这种材料隧穿现象很难发生，因此只能通过陷阱的捕获和释放电子的方式来控制 导带中的电子浓度，从而决定器件电阻的大小。由此可知，介质材料中缺陷数目 的多少最终决定器件的阻态，而缺陷数目的变化和s c l c 效应类似，在此不进行 t 分析了。 对于材料的阻变效应，同一种材料的不同阻态可能由一种或多种机制造成的。 因此，对特定的阻变材料进行研究时，要根据具体材料的i v 特性曲线判断引起阻 变效应的主要机制。 2 3 基于m o s 器件的r r a m 器件模型 由上文研究可知，r r a m 器件是一种具有记忆功能的两端器件。对于无极型 r r a m 器件，其阻值主要受控与r r a m 器件两端所加的电压值的大小，对于无极 型r r a m 器件的基本电阻转化特性为： 1 ) 当对r r a m 器件两端加一高电压( v v 嘲) 时，r r a m 器件变为高阻 态。 2 ) 当对r r a m 器件两端加一低电压( v s c t v 9 99 ，dme = = = = = = = ：j = ：= 芏= = = = = 亡= = = = = = j ；三? 皂白二竺一臼一。a o 彩l _ l j r _ 工l 山l 咕广_ l 上上_ j l - 上咕广_ l _ _ l j l _ l - l _ 上_ 上一 一1 0 91 ，：i n 9 99 ，彩me = = = = = = = = 丁= = = = = = = = = = = = = = = j ；一5 19 0 乃0m m 占i 竺二 ：= = 盏 一1g 乃ml 。l ：。：b b 。：一。1 。i v d ，彩a5 囝，0 n1 0 0 n1 5 0 n t i m e ( s ) 图2 8 基于m o s 器件的r r a m 器件模型测试结果 从上图的测试结果来看，所设计的模型在不同的偏压下，完全能够实现阻态 转化，低阻态值大约为3 0 m ，高阻态值约为3 0 m f 2 。这与模型所设计的高、低阻 态值基本相同。并且在读电路时，模型的阻态能够保持稳定。这说明，此模型完 全达到设计要求，并能用此模型进行r r a m 存储器的电路设计。但此模型也有很 大缺陷，其一，此模型为描述r r a m 器件的阻变特性，不得不把r r a m 器件的读 写端口，人为的分成了读端口和写端口两部分。其二，没有考虑m o s 器件对模型 的影响。其三，模型中只有一个阈值电压，这与实际的r r a m 器件不同。为进一 步改进模型设计，在本章下一节，提出了基于v e r i l o g a 语言的r r a m 器件模型。 2 4 基于v e r i l o g a 语言的r r a m 器件模型 由上文可知，基于现有器件所搭建的r r a m 器件模型虽然能够正确描述 r r a m 器件的工作状态，但也存在各种问题( 主要是由m o s 器件造成的) 。为消 除这些问题，在本小节中，提出了一种基于v e r i l o g a 语言的r r a m 器件模型设 计方法。由于直接采用v e r i l o g a 语言描述r r a m 器件模型，而没有调用m o s 器 件，因此可完全消除m o s 器件对模型的影响。并且采用v e r i l o g - a 语言描述的 r r a m 器件的端口数只有三个，因此更能接近实际的r r a m 器件。 v e r i l o g a 是一种新型的硬件描述语言。它是描述器件和模拟电路的结构、行 1 4 阻变存储器电路设计 为以及电学特性参数的模块化硬件描述语言 3 0 - 3 。由于v e r i l o g - a 语言的基础是基 尔霍夫电压和电流定理，因此它能用数学公式直接描述电路和器件的电学特性， 而不关心器件和电路的内部结构。至今为止，r r a m 器件的工作机理还没研究清 楚，因此采用v e r i l o g a 对r r a m 器件进行建模显得尤为合适。同时，用v e r i l o g - a 语言描述的模型可直接与实际的外电路相连，并能直接在c a d e n c e 上直接进行 s p e c t r e 或s p i c e 的仿真验证。这也降低了r r a m 存储器电路设计的复杂度。 参照实际的r r a m 器件的电学特性，用v e r i l o g a 设计的r r a m 器件模型主 要采用无极型r r a m 器件的电学参数，具体参数设置为是：v s 矿1 2 v ；v 矿1 6 v ； 高阻态电阻值为4 0 i c d 2 ；低阻态电阻值为2 0 k o 。具体的v e r i l o g - a 语言描述如下： v e r i l o g af o rr a m ，m o d e ll ，v e r i l o g a 、i n c l u d e ”c o n s t a n t s v a m s ” i n c l u d e ”d i s c i p l i n e s v a m s ” m o d u l em o d e ll 札b ，r e s e t ) ； i n o u t 巩b ； i n p u tr e s e t ； e l e c t r i c a la , b ，r e s e t ； b r a n c h 仇b ) r e s ； p a r a m e t e rr e a lr l = 2 e 5 ，r 2 = 4 e 5 ，v 1 = 1 6 ，v 2 = 1 2 ； r e a lr ； a n a l o gb e g i n b e g i n ( i n i t i a l _ s t e p ) r = 5 e 5 ； e n d i f ( v ( r e s e t ) ) b e g i n i f 伉b ) 弦v 1 ) r _ r 2 ； e l s e b e g i n i f 仇b ) = v 2 ) i p r l ； e l s e r = r ； 第二章r r a m 器件及模型建立 e n d v b ) 500m v 一10 0 m a ：r i n1 - 一_ 一：r e s e t i ：o u t 函，1 2 j 5 ，f 2 j n1 0 n1 5 n2 0 n t l m e ( s ) 图2 1 0p j r a m 模型写低阻态测试结果 r a mm o d e l l 一t e s ts c h e m a t i c ：n o v61 2 ：0 2 ：3 , 32 0 11 t r a n s i e n tr e s p o n s e 1 8 9 1 2 f d m 卯d 1 8 9 1 2 j 刃m 囝，d 工_ _ 一：r e s e t 图2 i i l r a m 模型写高阻态测试结果 根据理论计算，当p j r a m 为低阻态时，输出端口o u t 的电压值为0 5 v 。而实 第二章r r a m 器件及模型建立 1 7 际测试结果也为0 5 v ；当r r a m 为高阻态时，输出端口o u t 的电压值约为0 3 3 v 。 而实际测试结果为0 3 v 。从仿真结果可知，所设计r r a m 器件模型完全满足设计 要求。实际的r r a m 器件只是两端器件，并能实现读写功能，而在基于m o s 器 件搭建的r r a m 模型中，存在读端口与写端口，并且m o s 器件特性与工艺尺寸 有关，m o s 器件的尺寸设计也比较复杂。而用v e r i l o g a 设计的模型则不存在这些 问题。因此在以后章节中，r r a m 存储器的电路设计采用基于v e r i l o g a 语言的 r r a m 器件模型。 2 5 本章小结 本章首先从阻变现象开始，详细介绍了r r a m 器件的物理特性，并根据不同 的阻变现象对r r a m 器件进行分类。由于r r a m 器件是一种新型的结构，因此有 必要对r r a m 器件结构和几种常见的r r a m 器件进行详细的介绍。紧接着，本文 对阻变现象产生的具体原因进行深入分析，并分析了r r a m 器件的几种导电机制。 通过不同的导电机制，对阻变现象进行了理论解释。最后，根据r r a m 器件的物 理特性和衡量指标，对r r a m 器件进行行为建模，分别采用两种不同的方法建立 r r a m 器件模型，并