新型高密度1S1R结构阻变存储器件概述

1、新型高密度1S1R结构阻变存储器件概述随着现代半导体工艺的技术进步， Flash 存储器开始遇到技术瓶颈， 新型存 储器应运而生。与其他几种新型的非易失性存储器相比，阻变存储器（ RRAM 或 ReRAM）因其具有结构简单、访问速度快等优势， 成为下一代非易失性存 储器的有力竞争者之一。基于阻变存储器的交叉阵列是阻变存储器实现高密度存储最简单、最有效的方法。而仅由阻变存储单元构成的交叉阵列由于漏电通道而存在误读现象。为了解决误读现象，通常需要在每个存储单元上串联一个选择器构成1S1R结构。对由阻变存储单元和选择器构成的1S1R结构的研究进展进行综述分析是一项有意义的工作，因此本论文主要对1S1

2、R结构的阻变存储器件的研究进展进行概述。关键词：阻变存储器，交叉阵列，选择器，1S1R目 录中文摘要I英文摘要II第一章 绪论11.1 阻变存储器11.1.1 RRAM基本结构11.1.2 RRAM技术回顾11.2 交叉阵列汇中的串扰问题31.3 本论文的研究意义及内容31.3.1 研究意义31.3.2 研究内容3第二章 RRAM的集成选择器的集成方式52.1 有源阵列52.2 无源阵列5第三章 RRAM的集成选择器的类型63.1 1T1R63.2 1D1R63.3 1S1R83.4 back to back结构103.5 具有自整流特性的1R结构11第四章 1S1R结构阻变存储器件研究进展1

3、3第五章 总结与展望145.1 论文总结145.2 未来工作展望14第一章 绪论1.1 阻变存储器1.1.1 RRAM基本结构阻变存储器（Resistive Random Access Memory,RRAM）和相变存储器的原理有点相似，在电激励条件下，利用薄膜材料，薄膜电阻在高阻态和低阻态间相互转换，这样子就能实现数据存储1-2。RRAM结构如图1.1所示，像个三明治的，其中上电极、中电阻转变功能层、下电极分别为金属材料、半导体材料和金属材料，下电极也可以是导电的半导体衬底。根据不同情况，RRAM电阻的转变特性可分为：单极性转变（Unipolar）、双极性转变（Bipolar）和无极性转变（

4、Nonpolar）1。图1.1 RRAM基本结构图1.1.2 RRAM技术回顾RRAM的存储机制是非电荷存储机制，和传统浮栅型Flash的不同，可有效避免Flash因隧穿氧化层变薄引起的电荷泄漏，还有一些优点，操作电压低、操作速度快、保持时间长、非破坏读取、多值存储和CMOS工艺兼容1-3。至今，已经报道出越来越多的有着电阻转变现象的材料，其中，部分的二氧化物和现代CMOS工艺兼容，很受半导体产业界的关注3-4。由于多种瓶颈，Flash存储器被限制了进一步发展。作为替代，很多的新兴NVM器件得到了广泛关注5-6，有铁电随机存储器（FRAM）7、磁阻存储器（MRAM）8、相变存储器（MRAM）9

5、。然而，FRAM存储容量小10、其材料和传统CMOS工艺无法兼容；MRAM工艺很复杂，磁性材料和传统的COMS工艺兼容性不好；PRAM擦除时还需求很大的电流，这些缺点很大程度上制约了FRAM、MRAM、PRAM的发展。相比较来说，RRAM就具有很多的优点，完全能替代其他器件成为通用的存储器，详见表1.1。表 1.1 各种存储器的比较11-12特性DRAMSRAMFLASHPRAMMRAMRRAM每位成本低高中低中很低单元尺寸(F2)6-1250-807-115-8-4耐久性105102109缩小限制电容6T隧穿氧化层电流电流光刻多值存储否否是是否是与COMS兼容性差好中好中好读时间50ns8n

6、s50ns20ns10ns20ns写/擦时间50ns/50ns8ns/8ns1s/1-100ms10ns/50ns30ns/30ns10ns/10ns读信号动态范围100-200mV100-200mVDelta Current10X-100X20-40%10X-1000X特性DRAMSRAMFLASHPRAMMRAMRRAM编程电压较低较低高-中等低编程功耗中中高较低高低单元晶体管数1T6T1T1T1T0T/1T不挥发性否否是是是是阻变现象早在1962年就被发现，Hickmott首次报道了Al/Al2O3/Al薄膜在不同电压激励下会有电阻变化13。之后几年中又有人在Nio和Cu2O里看到了电阻

7、转变14-16。Sharp公司在2002年IEDM会议上报道基于Pr0.7Ca0.3MnO3(PCMO)薄膜材料的RRAM器件17，后来的IEDM会议上又有韩国三星电子、Hittachi、美国Spansion、Infineon、Panasonic等等一些先进半导体公司报道了探究基于其他材料体系的RRAM器件18-29。作为主要半导体存储器消费市场，中国也有很多研究机构加入此研究行列，中国科学院微电子所、复旦大学、清华大学、和北京大学等研究机构都加入此研究行列30-32。迄今所知的可实现电阻可逆转化的材料很多很多，主要是钙钛矿氧化物11,33、过渡金属氧化物34-36、固态电解质材料37、有机材

8、料38-39还有一些其他材料。1.2 交叉阵列汇中的串扰问题图1.2 交叉阵列结构中的串扰问题40交叉阵列结构因为其有最小的单元面积4F2，所以是存储器最经济的继承方式41。不过阻变存储器在低阻态的I-V特性曲线几近线性而且对称42-45，如图1.2所示，按道理读取右下角高阻单元时，电流应该会是很小的，但是由于其他的三个单元处于低阻态，电流沿着这三个存储器单元时形成一条漏电的通道，形成较大的干扰电流，造成误读，这就是串扰46。为了解决这种现象，需要在每个存储单元上串联一个选择器构成1S1R结构。1.3 本论文的研究意义及内容1.3.1 研究意义电荷俘获型存储器逐渐走向物理尺寸极限，国内外科研人

9、员纷纷采用新型的存储机制取代浮栅结构，设计出全新的非挥发存储器来代替flash存储技术。其中，阻变存储器(RRAM)具有MIM简单器件结构，制备工艺与传统CMOS工艺技术完美兼容，交叉阵列结构面积小，在高密度存储方面具有明显优势。HP、 Samsung、 IBM等国际著名存储器公司也正在大力推进阻变存储技术，但阻变存储器距离实用化和商品化的路途还比较遥远，还存在一系列关键问题没有解决，其中最主要的是无源交叉阵列中的串扰问题，在每个存储单元上串联一个选择器构成1S1R结构有利于抑制串扰问题。本论文主要是对由阻变存储单元和选择器构成的1S1R结构的研究进展进行综述分析，这是一项很有意义的工作。1.

10、3.2 研究内容本论文分为四章，分别为：第一章 主要介绍RRAM。首先介绍了RRAM的结构；接着回顾了RRAM的发展历程；然后阐述了RRAM相对其他新型非挥发性存储器的优势；接着又对交叉阵列中的串扰问题进行综述；最后指出了本论文的研究意义。第二章 主要介绍了RRAM的集成选择器的集成方式。第三章 主要介绍了RRAM的集成选择器的类型，并详细介绍了每种结构抑制串扰问题的方式，以及每种选择器的性能参数对交叉阵列大小的影响。第四章 主要介绍1S1R结构阻变存储器件研究进展第五章 总结全文工作并对RRAM未来发展进行了展望。第二章 RRAM的集成选择器的集成方式阻变存储器的集成分为两种：有源阵列和无源

11、阵列。2.1 有源阵列有源阵列，是将一个晶体管和阻变存储器串联形成，即1T1R结构，阵列结构有NOR和NAND。2.2 无源阵列无源阵列，存储单元中无有源器件，如图2.2(a)所示，结构很简单，存储密度很高，每个存储单元的最小面积只有4F2，因为其中由相互交叉即上下两排相互垂直的字线、位线构成的上下电极就是一个存储单元，做成3D堆叠结构的话，即进行3D集成，这样一来每个存储单元的有效单元面积为4F2/N，那么其存储密度将会倍增47，如图2.2(b)所示。再者，无源交叉阵列的RRAM制备工艺非常简单，RRAM在后端制程中制备，CMOS电路在前端制程中完成的，这样一来CMOS电路制造和RRAM制备

12、完全分离开来，提高了芯片的成品率，同时也降低了成本。所以说，从这两个角度无论哪个考虑，无源交叉阵列都是RRAM集成的最佳方式，这也被认为是目前存储器件最经济的继承方式48。考虑到串扰问题，发展处基于以下几种结构的无源交叉阵列：1D1R结构、1S1R结构、back to back结构、以及具有自整流特性的1R结构。对每种结构中与阻变存储单元集成的选择器类型以及每种结构的特点进行概述。图2.2 无源交叉阵列的结构示意图第三章 RRAM的集成选择器的类型3.1 1T1R串联一个MOSFET作为形成1T1R结构(one transistor one resistor)，这是一种有源阵列结构，如图3.1

13、所示，在集成阵列中利用字线和位线达到选通存储单元目的49。图3.1 有源阵列基本结构示意图50W.W.Zhuang等人在2002年IEDM上首次报道了采用0.5mCMOS工艺制备的基于1T1R结构的存储容量为64bit的RRAM阵列17。1T1R的原理是这样的，首先T是个选通存储单元，对阻变存储器单元进行操作的时候晶体管导通，其他的阻变存储器单元的晶体管是关闭状态，避免了对周围的存储单元产生干扰，有效避免了串扰现象。且场效应晶体管可以提供比较大的编程电流加快速度。1T1R阵列中，选择晶体管的大小决定了每个存储单元所占据的面积。所以，及时假设在特定技术节点下最小的选择晶体管能够提供足够大的驱动电

14、流让RRAM单元发生电阻转变，这样下来每个存储单元的面积就为6F251。所以，1T1R中选择晶体的类型影响着交叉阵列的存储密度。Wang等人52利用了双极结型晶体管(BJT)代替了场效应晶体管(MOSFET)53，BJT和RRAM串联后的存储单元有效面积只有4F2，是因为BJT的多发射极共用了相同的基极和集电极，这样下来有源交叉阵列的存储密度就得到了大大的增加。1T1R在工艺方面也有缺点，在制作时，晶体管是在前端制程完成的，而阻变存储器却是在后端制程中完成的，尽管密度有所增加，但是工艺集成方面要考虑热预算，不可有太高的工艺温度。3.2 1D1R在每个阻变存储器上串联一个二极管，构成1D1R存储

15、单元，这样一来每个存储单元都具有整流特性，既不影响阵列的存储密度，又能避免未选中单元引起的串扰现象。如图3.2所示，为1D1R结构，每个阻变存储器件都有一个二极管与之相连，每个存储单元都有整流特性，这样一来，(1,1)器件为高阻状态，其他三个与之相邻的器件都为低阻状态，在(1,1)上加读电压时，电流也是通过(1,1)进行引导的，避免了串扰现象。图3.2 1D1R存储单元读取高阻态器件的电流通路示意图为了能够应用在3D阻变存储交叉阵列结构中，对串联二极管的性能有着一定的要求：正向电流大、整流比高、制备温度要低、3D集成性、与CMOS技术兼容等54-55。其中交叉阵列实现高信号读取余度和高集成密度

16、的关键因素是大的正向电流密度和高的整流比55。不同的材料制备的二极管在1D1R中影响又有所不同，目前应用的二极管主要类型有基于硅材料的二极管56-57、基于氧化物的二极管58-61和基于聚合物的二极管62-63。图3.3为硅衬底形成pn结开关二极管64。但是它的占用面积很大，要求高温工艺。后来Lee等65提出用氧化物二极管的1D1R单元结构，可实现叠置的三维立体集成，实现高密度存储。但是氧化物二极管的正向电流密度比硅二极管要低，如图3.4所示，是一个两层叠置的氧化物二极管1D1R单元，要选择合适的二极管，以便提高正向电流密度65-66。图3.3 硅二极管的1D1R单元64图3.4 两层叠置的氧

17、化物二极管1D1R单元65-66目前，无源交叉阵列中，提高二极管的整流比、电流密度以及降低制备温度才是研究重点，这样才能有效抑制器件间的串扰并给RRAM读写提供够大的电流。图3.5中给出的事目前研究出的可用于1D1R集成的整流二极管器件性能参数。图3.5 已报道出的部分可用于1D1R集成的整流二极管性能参数3.3 1S1R将一个电学特性对称的非线性电阻和阻变存储器串联在一起，就构成了1S1R结构。在2011年，Jiun-Jia Huang80等人将Ni/TiO/Ni当做一个选通管，其中Ni/TiO/Ni是一个电学特性对称的非线性电阻，然后将之与阻变存储器串联，图3.6是其电学特性，当VSet大

18、于选通管的开启电压Vth时，存储器从高阻态变为低阻态；电流回流，VSet107A/cm2，选择容量为104左右大小，耐久性很不错，可持续1010个循环，完全可以在3D集成的双极性阻变存储器件阵列中应用开。而且如图3.7所示，在1/2Vread下，其漏电电流比未串联选通管的存储器1R减小了104倍。图3.7 在1/2Vread下， 1S1R与1R漏电电流的比较1S1R结构存在的问题是非线性系数低，集成过程中影响了交叉阵列的大小。所以目前发展1S1R结构的主要方向是寻找非线性系数大的对称型非线性电阻。表3.1是在部分报道出的不同选择器的参数性能。表3.1 部分报道出的不同选择器的参数性能Techn

19、ologyOn Current Density(MA/cm2)On/Off RatioVoltage design abilitySwitching SpeedTechnology MatutityNi/TiO2/Ni610-4104P/NRNRLowTaN/SiNx/TaN70.1150P/NR0.02500-5000NRNRHighTechnologyOn Current Density(MA/cm2)On/Off RatioVoltage design abilitySwitching SpeedTechnology MatutityVO2 MIT10150NR1250-4700Yes8F2场效应晶体管无高1BJT1