阻变存储器概述 阻变存储器（Resistive Random Access Memory, RRAM）是一种基于非电荷存储机制的新型存储技术。RRAM的上下电极之间是能够发生电阻转变的阻变层材料。在外加偏压的作用下，器件的电阻会在高低阻态之间发生转换从而实现“0”和“1”的存储。在二进制存储中，一般将低阻态代表“1”，高阻态代表“0”。器件从高阻变化为低阻的过程称为Set，从低阻变为高阻的过程称为Reset。Set 过程中，一般需要限制通过器件的最大电流，以避免器件完全损坏。虽然阻变存储器的研究自2000年后才兴起，但薄膜的阻变现象早在1967年就由英国Standard Telecommunication Laboratories的J. G. Simmons等人发现[1]。1971年，美国加州大学伯克利分校的华裔教授Leon Chua就在理论上预言了除了电阻、电容、电感之外的第四种基本器件——忆阻器（Memristor）的存在[2]。在2008年的Nature杂志上，惠普公司报道已成功制备出忆阻器原型器件并提出了相应的物理模型。他们模拟了(a)有动态负微分现象的电阻器件、(b)无动态负微分现象的电阻器件、(c)存在非线性离子运动的电阻器件三种不同器件的工作机制：(a)中当所加正电压到达最大值时，器件还未完全发生电阻转变，在正电压逐渐减小的过程中器件继续发生电阻转变（电阻减小），因此观察到了明显的负微分电阻现象；在(b)中所加正向电压到达最大值之前，器件已经完全发生电阻转变，之后在未加负偏压之前器件电阻一直保持不变，因此没有负微分电阻现象；在(c)器件中，离子运动是非线性的，其到达上下电极两种边界条件是突变的，因此其一般只有两种状态（OFF和ON态）。阻变存储器RRAM可以归为忆阻器(c)类器件中的一员。 2.1 阻变存储器的材料体系 2.1.1 固态电解质材料 固态电解质体系中包含两个要素：一是固态电解质层，二是可在固态电解质层中发生氧化还原反应的金属。基于这类体系的RRAM器件被称为PMC （programmable metallization cell）或CBRAM（Conductive Bridging RAM）[5]，其特征是两个电极一边是惰性金属如Pt，另一边是易于发生氧化还原反应的活泼金属如Cu和Ag。两电极中间是固态电解质层，金属离子可以在固态电解质中移动。当Cu或Ag等活泼金属作为阳极时，这些易氧化的金属原子失去电子成为金
1.存储器设备发展之汞延迟线是基于汞在室温时是液体，同时又是导体，每比特数据用机械波的波峰（1）和波谷（0）表示。 机械波从汞柱的一端开始，一定厚度的熔融态金属汞通过一振动膜片沿着纵向从一端传到另一端，这样就得名“汞延迟线”。 在管的另一端，一传感器得到每一比特的信息，并反馈到起点。 设想是汞获取并延迟这些数据，这样它们便能存储了。 这个过程是机械和电子的奇妙结合。 缺点是由于环境条件的限制，这种存储器方式会受各种环境因素影响而不精确。 1950年，世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC由冯.诺依曼博士领导设计。 它的主要特点是采用二进制，使用汞延迟线作存储器，指令和程序可存入计算机中。 1951年3月，由ENIAC的主要设计者莫克利和埃克特设计的第一台通用自动计算机UNIVAC-I交付使用。 它不仅能作科学计算，而且能作数据处理。 2.存储器设备发展之磁带UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器，首先用奇偶校验方法和双重运算线路来提高系统的可靠性，并最先进行了自动编程的试验。 磁带是所有存储器设备发展中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之 一。 它互换性好、易于保存，近年来，由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术，大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。
根据读写磁带的工作原理可分为螺旋扫描技术、线性记录（数据流）技术、DLT技术以及比较先进的LTO技术。 根据读写磁带的工作原理，磁带机可以分为六种规格。 其中两种采用螺旋扫描读写方式的是面向工作组级的DAT（4mm）磁带机和面向部门级的8mm磁带机，另外四种则是选用数据流存储技术设计的设备，它们分别是采用单磁头读写方式、磁带宽度为1/4英寸、面向低端应用的Travan和DC系列，以及采用多磁头读写方式、磁带宽度均为1/2英寸、面向高端应用的DLT和IBM的3480/3490/3590系列等。 磁带库是基于磁带的备份系统，它能够提供同样的基本自动备份和数据恢复功能，但同时具有更先进的技术特点。 它的存储容量可达到数百PB，可以实现连续备份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。 磁带库不仅数据存储量大得多，而且在备份效率和人工占用方面拥有无可比拟的优势。 在网络系统中，磁带库通过SAN（Storage Area Network，存储区域网络）系统可形成网络存储系统，为企业存储提供有力保障，很容易完成远程数据访问、数据存储备份或通过磁带镜像技术实现多磁带库备份，无疑是数据仓库、ERP等大型网络应用的良好存储设备。 3.存储器设备发展之磁鼓1953年，随着存储器设备发展，第一台磁鼓应用于IBM 701，它是作为内存储器使用的。 磁鼓是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。 鼓筒旋转速度很高，因此存取速度快。 它采用饱和磁记录，从固定式磁头发展到浮动式磁头，从采用磁胶发展到采用电镀的连续磁介质。 这些都为后来的磁盘存储器打下了基础。
SiO2的阻变存储特性测试 信息存储一直伴随着人类历史发展，如今阻变式存储器在众多存储器的比较中显现出了巨大优势，有望成为新一代的存储器。本文比较了阻变式存储器与其他存储器的优缺点，阐述了阻变式存储器的工作机制和储存结构；对阻变式存储器的前景进行了展望。 第一章绪论 1.1 引言 信息存储的发展一直伴随着人类历史的发展。从结绳记事到甲骨文，再到现代的磁介质存储、光介质存储和纳米存储。信息存储技术一直在向着大容量、高速度、小尺寸和长寿命等特性发展。在如今的大数据信息时代，人们对更加优秀的存储器提出了迫切的需求。目前的RAM（随机存取存储器）主要分为三种：静态RAM、动态RAM和闪存。静态RAM集成度低、功耗大，动态RAM集成度高，但二者断电后将会丢失信息，并不能永久保存信息；闪速存储器能永久储存信息但速度很慢。在迫切的需求下，一些新兴的存储器被提出了。主要有磁阻存储器、铁电存储器、相变存储器和阻变存储器。近几年，研究者们把注意力主要集中在新型的阻变存储器，基本原理为利用高阻态和低阻态来存储0和1，并且这两种状态能够被控制和转换。 Resistive RAM，简称RRAM，中文翻译为阻变存储器，是一种具有记忆功能的非线性电阻。结构为上下两层为金属电极层，中间为氧化物绝缘层。氧化物在上下两层电极电压作用下会呈现出电阻转变特性。RRAM具有高速、低压低功耗、结构简单、可高密度集成、数据保存时间长、尺寸小等优点。还与传统的CMOS工艺兼容。 1.2 新型非挥发性存储器 1.2.1 铁电存储器（FRAM） 铁电材料具有自发极化的特性，在外加电场的作用下可以改变极化方向。当施加正反电场再撤去后，会剩余两种极化状态[1]，可以用此来代表0和1。工作
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/648733314.html, 阻变存储器可靠性的研究 作者：沈冬云 来源：《科学与财富》2017年第21期 摘要：随着我国现代化建设的不断发展，各种存储器设备在工业生产与民用消费中得到了广泛应用。我国在集成电路制造领域不断进步的过程中，以浮栅结构为基础的FLASH存储器在物理尺寸上已经达到物理极限，如何对储存器进行进一步的开发已经成为相关机械十分重要的研究课题之一。 中阻变存储器以结合简单、高速度、低功耗等方面的特点得到了广泛的关注。然而，中阻变存储器在技术与应用上还没有十分成熟，在可靠性方面也没十分充分的保证。本文对阻变存储器在可靠性方面的问题进行了详细的阐述与分析，并根据具体的问题提出了相关的解决方法，希望可以起到参考作用。 关键词：问题分析；可靠性国；阻变存储器 阻变存储器属于三明治结构器件的一种，内部结构中的电极材料对于器件的性能也有一定的影响。对于阻变存储器的研究目前主要集中在电极材料与功能层材料上。 一、器件的工艺制备 本次实验研究所采用的器件结构为1T1R，通常情况下，晶体管能够起到限流与形状两方面的作用，阻变存储器结构为Pt/Ti/HfOx/Cu结构，其中Cu是阻变存储器的下电极，在CMP 工艺处理下，该部件能够起到电极的作用。功能层FfOx，离子束或ALD蒸发生长。Ti/Pt为上电极，粘附层为Ti层，能够使功能层与Pt的粘附性得到提，上电极Ti/Pt与功能层HfOx，厚度分别为70nm与6nm。具体工艺流程如下。 （一）硅片清洗 以硅片为衬底，阻态越高越好，去掉硅片表面所附着的有机物，具体操作方法为通过双氧水与浓硫酸对硅片进行冲洗，再对氢氟酸溶液进行稀释处理，将自然氧化层去除掉，再用气氛将水分吹干。 （二）SiO2层的生长 SiO2能够对硅片起到决绝作用，在对硅片清洗干净后将其置于热氧化炉，经过4-5小时的干法氧化后，SiO2会得到生长，可以达到200nm的厚度； （三）ZrO2或HfO2原子层或原子层沉积或离子束溅射
一、实验目的 1.掌握阻变存诸器（resistive random access memory，ReRAM）原型器件的基本结构， 了解其存储原理。 2.学会使用Keithley 2400源-测单元来测量阻变存储单元的电流一电压特性，并进行 定性的分析。 二、实验原理概述 随着集成电路的技术节点不断向前推进，目前国际上非易失性存储技术研究的走势主要是两个大方向：一是尽可能将目前的主流Flash技术向更高技术代(45nm甚至32nm)推进，纳米晶存储解决方案就是其代表。另一个研究趋势就是在Flash技术达到其物理极限而无法继续推进后，采用完全不同的新的存储原理和新技术，以电阻转变存储(ReRAM)技术为代表[1]。阻变存储器是通过电流/电压信号直接调制存储材料的电阻状态以实现布尔代数（Boolean）中“1”和“0”码的编制，从而实现信息的写入与擦除。它兼具动态随机存储器(DRAM)快速写入/擦除的能力以及Flash存储器非易失性存储的特点，同时具有低工作电压及低能耗，并可实现高存储密度，能够为计算机主存和外存提供新的技术方案。在2003年国际半导体技术路线图（International Technology Roadmap for Semiconductor(ITRS)）中，电子学专家将各种新型材料及器件作了详尽的分析及比较，列出了它们的可行性及风险性。从中可以看到阻变存储器件被认为是可行性高而风险较小的纳米记忆器件[2]。 固体电解质材料是阻变存储器的主要存储材料之一。固体电解质中的导电粒子可以是阴离子，也可以是阳离子。由于导电离子需要在固体内迁移，而小的离子半径对于获得高的迁移率十分重要。因此，一般迁移离子相对于构成骨架的离子而言具有小的半径。担当电荷载流子的阳离子有Ag+、H+、Cu+、Li+、Na+等；担当电荷载流子的阴离子有O2-、F-、Cl-、I-、Br-等[3]。 阻变存储器的基本结构如图1所示。一般由导电性良好的Pt作为底电极，它不参与固体电化学反应。一般选用与固体电解质内导电离子一致的金属材料作为上电极。在电场的作用下，基于固体电化学反应机理，金属离子在介质中可自由传输，导致纳米金属丝或纳米金属颗粒团簇的形成与消失，从而实现双稳态电阻的存储，其原理示意图如图2。以金属阳离子Ag+为例，在反应电极Ag上加正电压的作用下发生氧化反应，电极Ag原子不断电离进入固体电解质，出现过饱和态，过多的金属Ag+离子在阴极附近获得电子电化学沉积，从而逐步形成导电的金属Ag纳米丝(filament)构造，这些纳米丝将正、负电极连通从而形成导电通道产生低阻态。反之，在反应金属电极Ag上加负偏压，Ag离子便不断退出固体电解质，导致其中沉积的Ag溶解，而化学稳定的非反应金属电极Pt不能变成离子进入固体电解质，这便使元件恢复为高电阻态[4]。
1.存储器设备发展之汞延迟线 汞延迟线是基于汞在室温时是液体，同时又是导体，每比特数据用机械波的波峰（1）和波谷（0）表示。机械波从汞柱的一端开始，一定厚度的熔融态金属汞通过一振动膜片沿着纵向从一端传到另一端，这样就得名“汞延迟线”。在管的另一端，一传感器得到每一比特的信息，并反馈到起点。设想是汞获取并延迟这些数据，这样它们便能存储了。这个过程是机械和电子的奇妙结合。缺点是由于环境条件的限制，这种存储器方式会受各种环境因素影响而不精确。 1950年，世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC由冯.诺依曼博士领导设计。它的主要特点是采用二进制，使用汞延迟线作存储器，指令和程序可存入计算机中。 1951年3月，由ENIAC的主要设计者莫克利和埃克特设计的第一台通用自动计算机UNIVAC-I交付使用。它不仅能作科学计算，而且能作数据处理。 2.存储器设备发展之磁带 UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器，首先用奇偶校验方法和双重运算线路来提高系统的可靠性，并最先进行了自动编程的试验。 磁带是所有存储器设备发展中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之一。它互换性好、易于保存，近年来，由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术，大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。根据读写磁带的工作原理可分为螺旋扫描技术、线性记录（数据流）技术、DLT技术以及比较先进的LTO技术。 根据读写磁带的工作原理，磁带机可以分为六种规格。其中两种采用螺旋扫描读写方式的是面向工作组级的DAT（4mm）磁带机和面向部门级的8mm磁带机，另外四种则是选用数据流存储技术设计的设备，它们分别是采用单磁头读写方式、磁带宽度为1/4英寸、面向低端应用的Travan和DC系列，以及采用多磁头读写方式、磁带宽度均为1/2英寸、面向高端应用的DLT和IBM的 3480/3490/3590系列等。 磁带库是基于磁带的备份系统，它能够提供同样的基本自动备份和数据恢复功能，但同时具有更先进的技术特点。它的存储容量可达到数百PB，可以实现连续备份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。 磁带库不仅数据存储量大得多，而且在备份效率和人工占用方面拥有无可比拟的优势。在网络系统中，磁带库通过SAN（Storage Area Network，存储区域网络）系统可形成网络存储系统，为企业存储提供有力保障，很容易完成远程数据
目录 引言 (1) 1 RRAM技术回顾 (1) 2 RRAM工作机制及原理探究 (4) 2.1 RRAM基本结构 (4) 2.2 RRAM器件参数 (6) 2.3 RRAM的阻变行为分类 (7) 2.4 阻变机制分类 (9) 2.4.1电化学金属化记忆效应 (11) 2.4.2价态变化记忆效应 (15) 2.4.3热化学记忆效应 (19) 2.4.4静电/电子记忆效应 (23) 2.4.5相变存储记忆效应 (24) 2.4.6磁阻记忆效应 (26) 2.4.7铁电隧穿效应 (28) 2.5 RRAM与忆阻器 (30) 3 RRAM研究现状与前景展望 (33) 参考文献 (36)
阻变随机存储器（RRAM） 引言： 阻变随机存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）器件。近年来，NVM器件由于其高密度、高速度和低功耗的特点，在存储器的发展当中占据着越来越重要的地位。硅基flash存储器作为传统的NVM器件，已被广泛投入到可移动存储器的应用当中。但是，工作寿命、读写速度的不足，写操作中的高电压及尺寸无法继续缩小等瓶颈已经从多方面限制了flash存储器的进一步发展。作为替代，多种新兴器件作为下一代NVM器件得到了业界广泛的关注[1、2]，这其中包括铁电随机存储器（FeRAM）[3]、磁性随机存储器（MRAM）[4]、相变随机存储器（PRAM）[5]等。然而，FeRAM及MRAM 在尺寸进一步缩小方面都存在着困难。在这样的情况下，RRAM器件因其具有相当可观的微缩化前景，在近些年已引起了广泛的研发热潮。本文将着眼于RRAM 的发展历史、工作原理、研究现状及应用前景入手，对RRAM进行广泛而概括性地介绍。 1 RRAM技术回顾 虽然RRAM于近几年成为存储器技术研究的热点，但事实上对阻变现象的研究工作在很久之前便已开展起来。1962年，T. W. Hickmott通过研究Al/SiO/Au、Al/Al2O3/Au、Ta/Ta2O5/Au、Zr/ZrO2/Au以及Ti/TiO2/Au等结构的电流电压特性曲线，首次展示了这种基于金属-介质层-金属(MIM)三明治结构在偏压变化时发生的阻 变现象[6]。如图1所示，Hickmott着重研究了基于Al2O3介质层的阻变现象，通
存储器芯片的使用现状及未来发展趋势 文献综述 班级：XXX 姓名：XXX
学号：XXX
一、选题背景 存储器广泛应用于计算机、消费电子、网络存储、物联网、国家安全等重要领域，是一种重要的、基础性的产品。当前，伴随着第五代移动通信、物联网和大数据的快速发展，存储器的需求量迅速增加，存储容量、存取速度、功耗、可靠性和使用寿命等指标要求也越来越高。世界各大企业在这方面出现“百家争鸣、百花齐放”的大好局面，涌现出多种新型存储器，并且工艺水平和性能都在不断提高，给消费者提供了更多的选择空间。 二、相关问题现状研究综述 我们一般会将存储器划分为，易失性存储器和非易失性存储器，这种划分是根据断电后数据是否丢失而决定的。现有技术中，整个存储器芯片行业主要有三种种产品：DRAM NAND FLASIHNOR FLASH DRA是易失性存储器的代表，NAND Flash和NORFLASI 是非易失性存储器的代表。尽管按照不同的分类特点，可形成存众多种类的储存芯片，但从该行业产业结构分析，上述三种存储器毫无疑问是全球重点厂商最为关注的产品领域。 NANtFLAS和DRAI都是硅基互补金属氧化物半导体器件，在摩尔定律和海量数据存储需求的推动下，不断向大容量、高密度、快速、低功耗、长寿命方向发展。但随着特征尺寸不断减小至接近原子级，传统平面型结构遇到无法跨越的性能障碍，存储器的性能和可靠性达到极限，而且新工艺节点开发成本迅速增加，进一步降低预期收益。 因此，存储器向两大方向转型发展：一是继续沿用硅基材料，用垂直堆叠替代特征尺寸微缩，从平面转向立体结构；二是使用新材料和新结构研制新兴传感器技术。前者的挑战是开发出可实现8层到32层甚至64层连续堆叠的材料和生产工艺，并保证每一层存储器性电性能的一致可控。后者的挑战是论证开发配套生产工艺，并保证新材料不会对既有生产线造成污染、产品性能优于现有存储器和可长期可靠使用等。 新材料、结构和物理效应方面研究的不断突破，使得其他新兴存储器技术也因此得到发展。新兴存储器以大容量、低功耗、高速读写、超长保存周期、数据安全等为发展目标，包括利用自发极化现象开发的铁电随机存储器（FRAM、利 用电致相变现象的相变存储器（PCM、利用磁电阻效应开发的磁性随机存储器 （MRA M利用电致电阻转变效应开发的电阻随机存储器（RRAM,以及赛道存储器、铁电晶体管随机存储器（FeTRA）导电桥梁随机存储器（CBRAM内容寻址存储器（CAM 等。 铁电随机存储器（FRAM：它包含由锆钛酸铅制成的铁电薄膜，其中心原子可在外加
存储器未来发展状况 如果有一种半导体领域被视为商品,那就是存储器。当然,它是容纳最多列吋的区域。 DRAM 芯片的当前需求量最高,其平均售价的涨落通常作为整个半导体行业的主导。 市场和制造商 在商业方面,半导体市场目前每年收入大约可达 3000 亿美元, 存储器芯片对此做出了重大贡献,但是它每年的占有率极不稳定。制造商立足市场的成本很高,利润越来越微薄,只能在旺季才能赚取利润, 或许,除非您恰好是市场领导者。在过去十年间,该行业的主要供应商数量(占据了 5% 以上的市场占有率明显减少,或者说我们已看到存储器供应商已在大势整合。这种情况首先出现在 DRAM 行业,在过去几年间,非易失存储器 (NVM 的领先制造商群体(多半为闪存供应商中已改组。 过程、体系结构和互连 在技术方面,存储器芯片开发的主要挑战在于与微处理器提高的性能保持同步并提供快速且和较低功耗的存储器。存储器制造商的压力越来越大,以改进体系架构并移至更小的工艺节点,虽然存储器一直在硅工艺开发的驱动者。领先 DRAM 制造商现在以 30nm 的规格节点开始生产,一些供应商更供应 25nm 的规格工程样本。在 NAND 闪存中,闪存存储器最常见的类型用于固态驱动器、 USB 闪存驱动器和多媒体存储卡中的数据存储,领先的制造商现在开始生产 64 位存储器,采用 20 到 30nm 的过程技术。 随着 3D 存储器技术日益重要,还需要创新型存储器架构和结构:在技术过程阶段, DRAM 存储器单元采用 3D 结构设计,在硅压模阶段,使用 TSV (硅片直通孔互连进行 DRAM 压模堆叠,以满足高密度需求。 3D NAND 闪存存储器(带垂直门结构具有长寿命和高可靠性,前景很好,明年左右即可实现。
阻变存储器单元结构及集成 1.1 交叉阵列中的串扰 图1. 1.1 交叉阵列结构集成中的串扰现象 阻变存储器被认为是很有潜力的下一代存储器的候选者。它具有电阻转变速度快、功耗低、存储密度高和良好的可缩小性特点。由于具有最小的单元面积4F2，交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。但是，目前所报道的阻变存储器的低阻态I-V特性曲线几乎是线性且对称的（类似于电阻特性），在一个最简单的2×2交叉阵列结构中，如果有一个存储器单元处于高阻态而其他三个单元处于低阻态，在读取该高阻态的存储单元状态时电流将沿着三个处于低阻态的存储器单元形成一条漏电通道，如图1. 1.1所示，这就是串扰。当阵列m×n（m, n>2）变得很大时，所述漏电通道将增多，漏电流增大从而导致误读。目前解决误读最有效的方法就是在每个存储单元上集成一个晶体管或者二极管构成有源结构和无源结构。 1.1.1 有源结构 在有源结构单元中，使用一个晶体管和阻变存储器串联来形成one transistor one resistor（1T1R）。如图1.1.1所示，在1T1R结构中，晶体管起到选通和隔的作用。当对阻变存储器单元操作时，晶体管导通，这样就选择了所需操作的单元；而其他阻变存储器单元的晶体管关闭，这样能够避免对周围单元产生串扰和误操作，起到隔离的作用。1T1R结构中器件的最小面积取决于选择晶体管的大小，最小单元面积为6F2。2002年Zhuang等人首次采用0.5 μm CMOS工艺制备了基于1T1R结构的64位的RRAM阵列。1T1R结构集成时是将晶体管在前端工艺完成，而RRAM存储器件则在后端工艺完成，由于RRAM存储器在后端工艺完成，所以必须考虑热预算，工艺温度不可过高。 图1.1.1 1T1R 结构阻变存储器单元示意图 1.1.2 无源交叉阵列结构 相比于有源结构单元，由于具有最小的单元面积4F2，无源的交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。在交叉阵列结构中，通过相互垂直的上下电
.- 目录 引言 (1) 1 RRAM技术回顾 (1) 2 RRAM工作机制及原理探究 (4) 2.1 RRAM基本结构 (4) 2.2 RRAM器件参数 (6) 2.3 RRAM的阻变行为分类 (7) 2.4 阻变机制分类 (9) 2.4.1电化学金属化记忆效应 (11) 2.4.2价态变化记忆效应 (15) 2.4.3热化学记忆效应 (19) 2.4.4静电/电子记忆效应 (23) 2.4.5相变存储记忆效应 (24) 2.4.6磁阻记忆效应 (26) 2.4.7铁电隧穿效应 (28) 2.5 RRAM与忆阻器 (30) 3 RRAM研究现状与前景展望 (33) 参考文献 (36)
阻变随机存储器（RRAM） 引言： 阻变随机存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）器件。近年来，NVM器件由于其高密度、高速度和低功耗的特点，在存储器的发展当中占据着越来越重要的地位。硅基flash存储器作为传统的NVM器件，已被广泛投入到可移动存储器的应用当中。但是，工作寿命、读写速度的不足，写操作中的高电压及尺寸无法继续缩小等瓶颈已经从多方面限制了flash存储器的进一步发展。作为替代，多种新兴器件作为下一代NVM器件得到了业界广泛的关注[1、2]，这其中包括铁电随机存储器（FeRAM）[3]、磁性随机存储器（MRAM）[4]、相变随机存储器（PRAM）[5]等。然而，FeRAM及MRAM 在尺寸进一步缩小方面都存在着困难。在这样的情况下，RRAM器件因其具有相当可观的微缩化前景，在近些年已引起了广泛的研发热潮。本文将着眼于RRAM 的发展历史、工作原理、研究现状及应用前景入手，对RRAM进行广泛而概括性地介绍。 1 RRAM技术回顾 虽然RRAM于近几年成为存储器技术研究的热点，但事实上对阻变现象的研究工作在很久之前便已开展起来。1962年，T. W. Hickmott通过研究Al/SiO/Au、Al/Al2O3/Au、Ta/Ta2O5/Au、Zr/ZrO2/Au以及Ti/TiO2/Au等结构的电流电压特性曲线，首次展示了这种基于金属-介质层-金属(MIM)三明治结构在偏压变化时发生的阻 变现象[6]。如图1所示，Hickmott着重研究了基于Al2O3介质层的阻变现象，通
Vol.31,No.2Journal of Semiconductors February2010 练好基本功，加强高性能器件研究—国家自然科学基金2009年半导体科学领域 申请项目概况分析 何杰 (国家自然科学基金委员会信息科学部，北京100085) 摘要:2009年度半导体科学领域申请项目数维持了稳步增长的势头，但各学科分支的发展仍不平衡。虽然经过近几年的迅猛发展，半导体学科在基础研究和应用研究方面都取得了丰硕的成果，与其他学科相互交叉渗透的项目逐年增多，有关新材料、新器件的探索层出不穷，但在很多关键科学问题和基础工艺方面的进展尚很不尽如人意，制约了学科的进一步发展，也导致许多成果难以转化为可实用化的技术，形成生产力。这需要引起广大科研人员的注意，如何在申请和评审基金过程中很好地把握这一点，需要我们今后几年不断地思索和探究。本文将简述2009年半导体领域基金申请与资助概况，分析近期动态及学科对策，并附2009年半导体学科领域资助的项目清单，供有关科技工作者参考。 关键词:自然科学基金;半导体科学;项目申请 国家自然科学基金委员会信息科学部半导体科学与信息器件学科组2009年度共受理面上基金申请557项（2008年482项），青年基金323项（2008年268项），地区基金16项（2008年9项），三类项目合计896项（2008年759项），总数较2008年小幅增长8.4%。表1列出了这三类项目的申请和资助情况。表中资助率和资助强度两列中括号内的数据是包含一年执行期的小额资助项目，括号外的数据只算了三年期的大额资助项目。从表1可以看出青年基金和地区基金的平均资助强度与面上基金存在较大差距，从2007年青年基金和地区基金划归人才系列后，青年基金将注重维持并逐步提高资助率，面上基金则会使其平均资助强度逐步向50万元靠拢。由于青年基金每人只有一次获资助机会，今后将尽量不安排小额资助；地区基金的申请规模太小，今后将加大宣传力度，鼓励符合条件地区的科研人员申请地区基金。2010年面上基金平均资助强度可能会在42万元左右，请广大申请人和评议人注意。 表2列出了面上基金和青年基金在各二级申请代码所代表的分支领域中的分布。从表中可以看出，与2008年相比面上基金中“半导体光电子器件”和“半导体微纳机电器件与系统”两个分支领域申请项目数增长较大，青年基金中“集成电路设计与测试”和“半导体物理”两个分支领域申请项目数增长较大；“新型信息器件”领域的申请项目数也显示出良好的增长势头，但总量尚小，今后还需要进一步地鼓励和倾斜支持，欢迎大家踊跃申请，促进各学科均衡发展。特别需要指出的是，“半导体晶体与薄膜材料”和“新型信息器件”两个分支领域面上基金比青年基金明显强势，长此以往可能不利于学科可持续发展。 2009年申请项目的一个突出特点是器件类项目大幅增加，特别是太阳电池、传感器件、微波功率器件方面的项目增加较多。这类项目通常给人的印象是在前沿性、基础性、学术创新性方面略显不足，但工艺技术性较强，具有重要应用前景和意义。但实际上这类项目在器件物理、结构、工艺及封装等方面都存在着深层次的问题且不易被人们轻易认识，也难以被人们解决，由于这类项目的应用意义较大，文献中通常很少述及这些深层次问题及其解决方案。今后我们将对这类器件研究予以倾斜支持，鼓励大家深入挖掘各类高性能信息器件方面的科学问题，大力开展器件物理、工艺、失效机理和可靠性方面的研究，为实现高性能的信息器件奠定科学基础，只有“练好基本功，加强高性能器件研究”，才能改变我国在高端器件方面短缺的现状。希望广大科研人员在申请和评审基金项目时能够充分关注这一点。 随着微电子技术的发展，32纳米工艺已经步入产业阶段，有关小尺寸器件的探索愈发迫切，关于SoC、NoC 和SiP的研究也会越来越走向现实；随着无线传感网和物联网的兴起，相关的芯片研究也将逐步受到重视，特别是射频技术和低功耗技术更是其中的关键；自旋器件和量子比特器件等新型器件的研究会更加活跃，相关的新材料、新器件探索会层出不穷，相关器件工艺和建模的研究也会增多；微纳结构光子学的研究是今后几年的热点，必将会促进光电集成和光子集成的发展；化石能源的日渐匮乏，使太阳能的利用愈发引人关注，半导体科学与信息器件领域太阳电池的研究大幅增加。但所有这些研究的进展都受制于我们的微纳加工能力和器件工艺，如何深入挖掘微纳加工和器件工艺中的深层次科学问题，加强对这方面研究的支持，突破困扰我们发展的瓶颈，将是我们今后几年工作的重点目标。希望广大科研人员多提好的项目和建议，为我国半导体科学与信息器件领域基础研究的发展献计献策，贡献智慧。 2010年修订了多项基金管理办法，特此提醒广大申请者注意查询最新规定，认真阅读2010年项目指南和申请书填写须知，不要只凭经验，造成不必要的失误，影响项目申请的受理和送审。特别提请申请人填写真实的个人信息，所有参加人员亲笔签名，申请代码填写至第三级。 表3、4、5、6分别列出了2009年半导体科学与信息器件学科组获资助的面上、青年、地区和重点项目，供感兴趣的科技工作者参考。 通信作者.Email:hejie@https://www.doczj.com/doc/648733314.html, Received21January2010c 2010Chinese Institute of Electronics
存储器的发展史及技术现状 20122352 蔡文杰计科3班 1.存储器发展历史 1.1存储器简介 存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。自世界上第一台计算机问世以来，计算机的存储器件也在不断的发展更新，从一开始的汞延迟线，磁带，磁鼓，磁芯，到现在的半导体存储器，磁盘，光盘，纳米存储等，无不体现着科学技术的快速发展。 1.2存储器的传统分类 从使用角度看,半导体存储器可以分成两大类:断电后数据会丢失的易失性存储器和断电后数据不会丢失的非易失性存储器。过去都可以随机读写信息的易失性存储器称为RAM(Randoo Aeeess Memory),根据工作原理和条件不同,RAM又有静态和动态之分,分别称为静态读写存储器SR AM(St ate RAM)和动态读写存储器DRAM(Dynamie RAM);而过去的非易失控存储器都是只读存储RoM(Readon一y Memo-ry),这种存储器只能脱机写人信息,在使用中只能读出信息而不能写人或改变信息.非易失性存储器包含各种不同原理、技术和结构的存储器.传统的非易失性存储器根据写人方法和可写人的次数的不同,又可分成掩模只读存储器MROM(Mask ROM)、一次性编程的OTPROM(one Time Programmable ROM)和可用萦外线擦除可多次编程的Uv EPROM(Utravio-let ErasableProgrammable ROM).过去的OT PROM都是采用双极性熔丝式,这种芯片只能被编程一次,因此在测试阶段不能对产品进行编程性检侧,所以产品交付用户后,经常在编程时才会发现其缺陷而失效,有的芯片虽然能被编程,但由于其交流性不能满足要求,却不能正常运行.故双极性熔丝式PROM产品的可信度不高. 2.半导体存储器 由于对运行速度的要求，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。半导体存储器包括只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类。 2.1只读存储器 ROM是线路最简单的半导体电路，通过掩模工艺，一次性制造，在元件正常工作的情况下，其中的代码与数据将永久保存，并且不能够进行修改。一般地，只读
存储器的发展史 存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据就会丢失。 发展史分为七个阶段: 1.存储器设备发展之汞延迟线 1950年，世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC由冯.诺依曼博士领导设计。它的主要特点是采用二进制，使用汞延迟线作存储器，指令和程序可存入计算机中。 1951年3月，由ENIAC的主要设计者莫克利和埃克特设计的第一台通用自动计算机UNIVAC-I交付使用。它不仅能作科学计算，而且能作数据处理。 2.存储器设备发展之磁带 UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器，首先用奇偶校验方法和双重运算线路来提高系统的可靠性，并最先进行了自动编程的试验。 磁带是所有存储器设备发展中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之一。它互换性好、易于保存，近年来，由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术，大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。根据读写磁带的工作原理可分为螺旋扫描技术、线性记录（数据流）技术、DLT技术以及比较先进的LTO技术。 磁带库是基于磁带的备份系统，它能够提供同样的基本自动备份和数据恢复功能，但同时具有更先进的技术特点。它的存储容量可达到数百PB，可以实现连续备份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。 磁带库不仅数据存储量大得多，而且在备份效率和人工占用方面拥有无可比拟的优势。在网络系统中，磁带库通过SAN（Storage Area Network，存储区域网络）系统可形成网络存储系统，为企业存储提供有力保障，很容易完成远程数
嵌入式存储器发展现状 北京芯技佳易微电子科技有限公司 薛霆 李红 摘要：文章中简要介绍了嵌入式存储器技术发展历程，详细地介绍了基于标准工艺上嵌入式存储器的技术 关键词：IP SOC 存储器eDRAM OTP MTP 嵌入式闪存 1T-SRAM 2T-SRAM Abstract: Paper reviews historic development of embedded memory technologies. A few of embedded memory technologies based on standard process is introduced in more details. Keywords: IP SOC Memory eDRAM OTP MTP eFlash 1T-SRAM 2T-SRAM 1、引言 嵌入式存储器不同于片外存储器，它是集成在片内与系统中各个逻辑、混合信号等IP共同组成单一芯片的基本组成部分。嵌入式存储器包括嵌入式静态存储器，动态存储器和各种非挥发性存储器。几乎今天每一个SOC芯片中都含有或多或少多种嵌入式存储器的应用。 图1 嵌入式存储器的分类 嵌入式存储器大体分为两类，一类是挥发性存储器，另一类是非挥发性存储器，挥发性存储器包括速度快，功耗低，简单的SRAM和高密度的DRAM；而非挥发性存储器在实际使用中有更多种类，常用的包括OTP，ROM和EEPROM 及越来越普及的eFlash技术。非挥发性存储器主要用于存储器掉电不丢失的固定数据和程式。 嵌入式存储器和分立式存储器重要不同之处在于嵌入式存储器往往受限于应用IC的本身工艺特性条件，而分立式存储器件主要是围绕存储器器件进行优化工 图1－嵌入式存储器的分类
存储介质现状与发展趋势 摘 要 信息的存储在整个信息处理系统中都占有至关重要的地位。本文在分析了主流存储介质及其存储原理的基础上，主要讨论了目前较为流行的闪存这一存储介质的发展和原理，并对NOR 型和NAND 型闪存做以比较，同时浅略描述了对未来存储介质的发展趋势。 关键词 存储介质 闪存 NOR 结构 NAND 结构 引 言 信息的存储在整个信息处理系统中都占有至关重要的地位。从计算机诞生之日起过去的60多年里，硬盘驱动器(HDD)一直是存储系统领衔者。在这个新技术层出不穷的时代，一些老的存储介质如软盘，由于技术等方面的原因逐渐淡出，一些新的存储介质如闪存Flash Memory 、固态存储盘SDD 以及光盘存储技术迅速发展起来，增加了未来信息储存的多样化。 目前主流存储介质分为三大类：半导体存储、磁介质存储以及光介质存储。其中，半导体存储又可分为易失性存储RAM 与非易失性存储NVM 。其储存原理结构如下。 ()????????? ??????????????????????????????????????????写入型 型、一次写入型、多次光介质存储器 只读、软磁盘、硬磁盘磁介质存储器 磁带 快闪存储器电可擦除紫外线可擦除一次性可编程掩膜非易失性存储器动态静态型双极型：易失性存储器半导体存储器RAID DA FLASH PROM E EPROM PROM ROM NVM DRAM SRAM MOS RAM /2 其中，双极型存取速度快，但集成度低，一般用于大型计算机或高速微机的Cache ；静态SRAM 速度较快，集成度较低，一般用于对速度要求高、而容量不大的场合（例如Cache ）；动态DRAM 集成度较高但存取速度较低，一般用于需较大容量的场合（例如主存）；特别是闪存（FLASH ），它作为一种良好的非易失性存储方案，已成为各类移动存储设备（如MP3/MP4、数码相机、掌上电脑等）最核心的部件之一。目前，随着闪存（FLASH ）芯片功耗更低、重量更轻、容量越来越大，价格不断下降，闪存（FLASH ）将在更多领域上获得应用，甚至在一定程度上取代硬盘驱动器。 随着信息技术的飞速发展，人类要处理的信息量与日俱增，就必然要求存储介质具有更高信息存储密度、更快响应速度、以及更高的安全性与稳定性。闪存和其它存储介质如何作出适应性的发展，新兴存储介质能否得到进一步应用会成
存储器的发展史及技术现状 蔡文杰计科 3 班 20122352 1. 存储器发展历史 1.1 存储器简介 存储器( Memory)是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中 的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。自世界上第一台计算机问世以来，计算机的存储器件也在不断的发展更新，从一开始的汞延迟线，磁带，磁鼓，磁芯，到现在的半导体存储器，磁盘，光盘，纳米存储等，无不体现着科学技术的快速发展。 1.2 存储器的传统分类 从使用角度看, 半导体存储器可以分成两大类: 断电后数据会丢失的易失性存储 器和断电后数据不会丢失的非易失性存储器。过去都可以随机读写信息的易失性存储器称为RAM(Randoo Aeeess Memory),根据工作原理和条件不同,RAM又有静态和动态之分, 分别称为静态读写存储器SR AM(St ate RAM)和动态读写存储器DRAM(Dynamie RAM而); 过去的非易失控存储器都是只读存储RoM(Readon一y Memo-ry), 这种存储器只能脱机写人信息, 在使用中只能读出信息而不能写人或改变信息.非易失性存储器包含各种不同原理、技术和结构的存储器. 传统的非易失性存储器根据写人方法和可写人的次数的不同, 又可分成掩模只读存储器MROM(Mask RO、M一) 次性编程的OTPROM(one Time Programmable ROM和)可用萦外线擦除可多次编程的Uv EPROM(Utravio-let ErasableProgrammable ROM). 过去的OTP ROM都是采用双极性熔丝式,这种芯片只能被编程一次, 因此在测试阶段不能对产品进行编程性检侧, 所以产品交付用户后,经常在编程时才会发现其缺陷而失效,有的芯片虽然能被编程,但由于其交流性不能满足要求, 却不能正常运行. 故双极性熔丝式PROM产品的可信度不高. 2. 半导体存储器 由于对运行速度的要求，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。半导体存储器包括只读存储器( ROM)和随机读写存储器( RAM)两大类。 2.1 只读存储器 ROM是线路最简单的半导体电路，通过掩模工艺，一次性制造，在元件正常工作的情况下，其中的代码与数据将永久保存，并且不能够进行修改。一般地，只读
阻变存储器概述 阻变存储器（RRAM）是利用脉冲电压对存储单元进行写入和消除，进而导致记忆单元电阻改变，这就是电脉冲诱使阻变效应。 2.1 电阻转换现象 利用一些薄膜材料在电激励条件下薄膜电阻在不同电阻状态（高阻态（HR S）、低阻态（LRS））之间的相互转换来实现数据存储。根据电阻转换所需外加电压极性的不同，RRAM器件的电阻转变特性可以分为两种切换模式：单极转换和双极转换。从HRS到LRS的转换被称为“SET”过程。相反，从LRS到H RS的转换被称为“RESET”过程。单极转换是指器件在高低组态之间转变时外加电压极性相同。如果器件能在任意极性的电压实现高低阻态的转变，它被称作为无极性转换。双极开关的切换方向取决于所施加的电压的极性。 图2.2.1 （a）RRAM基本结构示意图和RRAM转换特性，（b）单极性转换，（c） 双极性转换 对于单极转换必须设置限制电流，对于双极转换，不一定需要设置限定电流的大小。施加在RRAM上的电压可以是脉冲电压或扫描电压，实际应用中利用扫描电压改变记忆单元电阻是不行的。除了使用直流电压改变阻态，还可以用电脉冲诱导电阻转变（EPIR）效应实现记忆单元阻值转换。利用改变脉冲电压的极性完成高低阻态的转变，如图1.2.2所示。
图2.2.2 脉冲诱使电阻转换的可重复现象 2.2 RRAM器件的阻变机制 到目前为止，电阻转换的真正机制还未确定，机制的不明确严重影响阻变存储器的应用步伐[6]。阻变效应属于材料的体效应还是氧化物与电极间的界面效应是需要解决的重大难点。目前，对于电阻转换现象的解释，研究人员提出了下面几种模型，主要有：导电细丝模型，界面接触势垒模型，缺陷能级模型。 2.2.1 导电细丝模型 导电细丝（CF，conducting filament）机制是一种局域化的效果，仅在介质薄膜的局部发生电阻的转变。从目前报道来看，固态电解液和大多数金属氧化物RRAM的电阻转变都与局部导电细丝的形成与断裂有关[7]。 图2.2.1 导电细丝模型 导电细丝主要原理：电路导通时，薄膜内部会形成传导路径，使通过电流变大，这时薄膜器件处于开启状态（ON state）；当导电通道断裂后，薄膜电流变小，这时薄膜器件处于关闭状态（OFF state）。图2.2.1为C.C Lin et al.人提出的导电细丝模型。（a）处于ON state，（b）、（c）、（d）都处于OFF state。