浅谈阻变随机存储器技术发展

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。

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]。

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]。

第39卷第4期2009年8月微电子学MicroelectronicsVo l 39,N o.4Aug.2009收稿日期:2008-11-19;定稿日期:2009-02-23基金项目:国家高技术研究发展(863)计划基金资助项目(2008A A031403);国家重点基础研究发展(973)计划基金资助项目(2006CB302706);国家自然科学基金资助项目(60825403,90607022,60506005)动态综述阻变存储器及其集成技术研究进展左青云,刘 明,龙世兵,王 琴,胡 媛,刘 琦,张 森,王 艳,李颖弢(中国科学院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术实验室,北京100029)摘 要: 在各种新型非挥发性存储器中,阻变存储器(RRAM )具有成为下一代存储器的潜力。

介绍了RRAM 器件的基本结构,分类总结了常用的材料以及制备工艺,对RRAM 阵列的集成方案进行了比较,并讨论了目前存在的问题;最后,对RRAM 的研究趋势进行了展望。

关键词: 非挥发性存储器;阻变存储器;电阻转变中图分类号:T P333.5文献标识码:A文章编号:1004-3365(2009)04-0546-06Progress in Development of Resistive RAM and Its Integration TechnologyZU O Qingyun,LIU Ming,LON G Shibing ,WAN G Qin,H U Yuan,LIU Qi,ZH ANG Sen,WAN G Yan,LI Yingtao(K ey L aborator y of Nano -f abrication and N ov el Dev ice s I nte gra ted Tec hnology ,I nstitu te of M icr oelec tr onics,T he Chinese A cade my of Sc ienc es,Be ij ing 100029,P.R.China)Abstract: Resistive r andom access memor y (R RA M )is one of the most pr omising candidat es for nex t generationof no n -volatile memo ry.T he basic structur e of R RA M w as described.R esist ive sw itching materials and electrodes for R RA M wer e summar ized,and t heir fabrication technolog ies wer e reviewed.Different techniques fo r integ ration of RR AM ar ray w ere discussed and exist ing pr oblems wer e analyzed.A nd finally,the research trend o f RR AM w as discussed.Key words: No n -v olatile memo ry ;Resistiv e rando m access memor y (R RA M );Resistiv e sw itching EEACC : 1265D1 引言随着集成电路工艺32nm 技术节点的来临,传统的Flash 非挥发性存储器遇到了一系列的问题。

DRAM的发展概述：动态随机存取存储器（DRAM）是一种常见的计算机内存类型，广泛应用于各种电子设备中。

本文将详细探讨DRAM的发展历程，包括其起源、技术进步、应用领域和未来发展趋势等方面。

1. 起源：DRAM最早出现于20世纪60年代，由于其高集成度和低成本的特点，很快取代了传统的磁芯存储器。

最早的DRAM只能存储几千个位，但随着技术的进步，存储容量不断增加，达到了几GB的水平。

2. 技术进步：随着时间的推移，DRAM的技术不断改进。

首先是DRAM的制造工艺从早期的4微米发展到现在的10纳米，使得存储单元的密度大幅提高。

其次是DRAM的速度和带宽也得到了显著提升，从最初的几百KB/s发展到现在的几十GB/s。

此外，DRAM还经历了多种技术演进，如SDRAM、DDR、DDR2、DDR3和DDR4等，每一代技术都带来了更高的性能和更低的功耗。

3. 应用领域：DRAM广泛应用于各种电子设备中，包括个人电脑、服务器、智能手机、平板电脑和游戏机等。

在这些设备中，DRAM扮演着临时存储数据的重要角色，能够高速读写数据，提供快速的运行速度和响应能力。

特别是在大数据处理、人工智能和虚拟现实等领域，对DRAM的需求更加迫切。

4. 未来发展趋势：随着科技的不断进步，DRAM仍将继续发展壮大。

未来的发展趋势包括以下几个方面：- 高密度：DRAM的存储密度将继续提高，以满足大数据处理和存储需求的增长。

- 高速度：DRAM的读写速度将进一步提升，以适应更高的数据传输速率和处理需求。

- 低功耗：DRAM的功耗将继续降低，以提高设备的能效和续航时间。

- 新技术：新型存储技术如3D XPoint和MRAM等有望取代传统的DRAM，提供更高的性能和更低的功耗。

结论：DRAM作为一种重要的计算机内存类型，经历了多年的发展和演进。

随着技术的不断进步，DRAM的存储容量、速度和功耗都得到了显著提升。

它广泛应用于各种电子设备中，为其提供快速的数据存储和处理能力。

阻变存储器入门介绍RRAM是一种基于电阻变化的存储技术，通过调整电阻值来存储和读取数据。

它使用了一种称为"电阻随机烧结"的机制，利用了材料中的物理和化学效应来实现电阻值的变化。

RRAM通常由两个电极之间夹状的电阻随机烧结材料组成，其中一种是金属氧化物或硫化物。

当一个电压脉冲施加到电阻材料上时，其中产生的离子迁移会改变材料内部的电阻。

根据电压脉冲的极性和大小，电阻材料的电阻值可以被调整为不同的状态。

RRAM具有许多优点，使其成为下一代存储器技术的热门选择之一、首先，RRAM具有极低的功耗。

由于其存储过程是通过电阻调整来实现的，相比于传统存储器技术，RRAM的功耗要低得多。

其次，RRAM具有快速的存取速度。

由于RRAM的存取时间仅受限于电阻状态的调整时间，因此RRAM可以在纳秒级别的时间内进行存取操作。

此外，RRAM还具有高密度存储的能力。

由于其存储单元的尺寸很小，可以实现高集成度并具有更大的存储容量。

除了这些优点，RRAM还具有其他一些特殊的特性。

首先，RRAM是一种非易失性存储器技术。

即使在断电的情况下，存储的数据也能长时间保持。

这使得RRAM非常适合用于需要长期保存数据的应用领域。

其次，RRAM对环境的依赖性较低。

与闪存相比，RRAM在高温和辐射环境下具有更好的稳定性和抗干扰能力。

因此，RRAM适用于一些极端环境下的应用。

尽管RRAM具有许多优点，但它还存在一些挑战和限制。

首先，RRAM的可靠性和耐久性仍然需要改进。

存储材料的电阻变化可能会导致存储单元的退化，影响其可靠性和寿命。

此外，RRAM的制造成本较高。

由于RRAM技术还处于早期阶段，生产工艺和设备的成本仍然很高。

这导致RRAM在商业上的应用仍然受到限制。

尽管存在一些挑战，但RRAM作为一种新型的存储器技术仍具有巨大的发展潜力。

随着技术的不断进步和商业化的推进，RRAM有望在未来取代传统的存储器技术，为人们提供更快速、低功耗和高密度的数据存储解决方案。

《三维垂直型阻变存储器的特性、机理及其集成技术研究》篇一一、引言随着信息技术的飞速发展，存储器作为信息处理和存储的核心元件，其性能的优化和技术的创新成为了当前研究的热点。

其中，三维垂直型阻变存储器（3D Vertical Resistive Random Access Memory，简称3D-VRRAM）以其高密度、低功耗、快速读写等优点，受到了广泛关注。

本文将详细探讨三维垂直型阻变存储器的特性、工作机理以及其集成技术的研究。

二、三维垂直型阻变存储器的特性1. 高密度存储：三维垂直型阻变存储器采用垂直堆叠的存储单元结构，极大地提高了存储密度，满足了大数据时代对高存储密度的需求。

2. 低功耗：该存储器在读写过程中具有较低的功耗，有效降低了设备的发热问题，提高了设备的稳定性。

3. 快速读写：由于采用独特的阻变机制，三维垂直型阻变存储器具有极快的读写速度，满足了实时处理的需求。

4. 耐久性高：具有良好的耐久性，可以在多次读写后仍保持稳定的性能。

三、三维垂直型阻变存储器的工作机理三维垂直型阻变存储器的工作机理主要基于阻变效应。

在存储单元中，通过改变电极间的电压或电流，使材料发生阻值变化，从而实现数据的存储和读取。

具体来说，当对存储单元施加一定的电压或电流时，材料内部的离子会发生迁移，形成导电通道或断开导电通道，从而改变材料的电阻值。

这种阻值变化是可逆的，通过改变电压或电流的大小和方向，可以实现数据的写入、读取和擦除。

四、三维垂直型阻变存储器的集成技术研究1. 工艺技术：三维垂直型阻变存储器的制造工艺主要包括薄膜制备、图案化、堆叠等步骤。

通过优化工艺参数，可以提高存储器的性能和稳定性。

此外，还可以采用先进的微纳加工技术，实现高密度的垂直堆叠。

2. 电路设计：针对三维垂直型阻变存储器的电路设计，需要考虑到读写速度、功耗、稳定性等因素。

通过优化电路设计，可以实现高速、低功耗的读写操作。

此外，还需要考虑存储器的抗干扰能力和可靠性等问题。

阻变随机存储器综述
一、概述
RRAM技术指的是利用高分子形成的电阻结构，利用热、光、电等能
源在电阻中产生和擦除电荷，以控制电阻的变化而记忆信息的技术。

通常，记忆由由阻变改变的电阻状态进行，这具有很多优势，如比闪存更快的读
写性能、无紧急要求是写入信息的高可靠性，可大大改善存储芯片的能效
和性能。

二、结构性质
RRAM存储元件的结构由两个部分组成：电极和被隔离的低电阻变化层。

当电子流穿过电极和变化层时，阻值会在一定的电场作用下发生变化。

几乎所有的RRAM设计都是使用可变阻性材料的阻变式结构，即可变
阻变化层由可改变阻值的材料组成。

具体来说，可变阻材料能用电场或温
度改变阻值。

其中，可改变的电阻值的变化可以用作记忆数据，也就是说，在变化层形成一定的阻值时，用于记忆的信息就被存储起来。

RRAM设计一般有三种结构：薄膜通道结构、沉积物结构和薄膜沉积
物结构。

DRAM的发展引言概述：随着科技的不断进步，动态随机存取存储器（DRAM）作为计算机主要的内存设备之一，也在不断发展和演变。

本文将探讨DRAM的发展历程，从其起源到现在的发展趋势，以及未来可能的发展方向。

一、DRAM的起源1.1 早期的DRAM早期的DRAM是在1960年代发展起来的，最早的DRAM只有几KB的存储容量，速度较慢，成本较高，主要用于大型计算机系统。

1.2 发展历程随着技术的不断进步，DRAM的存储容量不断增加，速度也在不断提高，成本逐渐下降，逐渐普及到个人电脑和移动设备中。

1.3 技术革新在发展过程中，DRAM经历了多次技术革新，如SDRAM、DDR、DDR2、DDR3、DDR4等，每一代技术的推出都带来了更高的性能和更低的功耗。

二、DRAM的应用领域2.1 个人电脑在个人电脑中，DRAM主要用于存储操作系统和运行程序所需的数据，速度和容量的提升对于提升计算机性能至关重要。

2.2 服务器在服务器领域，DRAM的需求量较大，用于存储大量的数据和运行多个虚拟机，对性能和稳定性要求较高。

2.3 移动设备在移动设备中，DRAM的需求也在不断增加，用于存储应用程序和数据，随着移动设备的普及，对功耗和体积的要求也越来越高。

三、DRAM的发展趋势3.1 高密度随着数据量的不断增加，对DRAM的存储容量也在不断提升，未来DRAM将朝着更高密度的方向发展。

3.2 低功耗随着移动设备的普及，对功耗的要求也在不断提高，未来DRAM将朝着更低功耗的方向发展。

3.3 高性能随着计算机应用的不断发展，对DRAM的速度和性能也在不断提升，未来DRAM将朝着更高性能的方向发展。

四、DRAM的未来发展方向4.1 3D堆叠技术未来DRAM可能会采用3D堆叠技术，将多层芯片堆叠在一起，提高存储密度和性能。

4.2 光存储技术未来DRAM可能会采用光存储技术，利用光信号代替电信号进行数据存储，提高速度和功耗效率。

4.3 量子存储技术未来DRAM可能会采用量子存储技术，利用量子特性进行数据存储，提高存储容量和安全性。