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王永,管伟华,龙世兵,刘明.阻变式存储器存储机理

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一种阻变存储器的机理的研究方法

一种阻变存储器的机理的研究方法

一种阻变存储器的机理的研究方法研究一种阻变存储器的机理是一个重要而复杂的课题，下面列举了50条关于这一研究方法的内容，并对其展开详细描述：1. 理论模拟：采用材料物理学和电子结构理论方法，对阻变存储器中电荷传输和阻变机制进行理论模拟。

描述：通过理论模拟，可以深入理解阻变存储器中电子在材料内的运动方式，探究其内在的物理机理。

2. 结构表征：利用透射电子显微镜（TEM），扫描隧道电子显微镜（STEM）等技术，对阻变存储器的微观结构进行表征。

描述：通过结构表征，可以观察到材料表面和内部的微观结构特征，从而揭示阻变存储器的材料组成和结构特性。

3. 电学测试：采用电学测试技术，比如电流-电压（I-V）特性测试等，对阻变存储器的电学性能进行评估。

描述：通过电学测试，可以了解阻变存储器在不同工作条件下的电学特性，包括电阻状态的变化和稳定性等。

4. 温度依赖性研究：通过改变温度，对阻变存储器的电学性能进行研究，探究其在不同温度下的阻变机制。

描述：温度对材料的电学性能有很大影响，研究阻变存储器在不同温度下的表现可以揭示其电子运动机制和热稳定性。

5. 时间依赖性测试：对阻变存储器的时间依赖性进行测试，研究其稳定性和寿命特性。

描述：了解阻变存储器在长时间使用过程中的表现，可以评估其稳定性和寿命，为其应用提供可靠性支持。

6. 界面工程：通过界面工程技术，对阻变存储器的界面特性进行改良和优化。

描述：界面工程可以改变材料的晶粒结构和结晶度，从而调控阻变存储器的电学性能和稳定性。

7. 掺杂调控：通过掺杂不同元素或化合物，调控阻变存储器的材料特性和电学性能。

描述：掺杂可以改变材料的载流子浓度和自由载流子迁移率，从而影响阻变存储器的阻变机制和特性。

8. 材料合成：采用不同的材料合成方法（比如溶胶-凝胶法、物理气相沉积等），制备不同结构和组成的阻变存储器材料。

描述：材料的合成方法对其结晶度和晶粒尺寸等特性有很大影响，可以通过合成方法优化阻变存储器的性能。

阻变式存储器存储机理

阻变式存储器存储机理

内注入大量电子 [ 11 ]. 同时体内一般要有以下两种状
况 [ 13 ] :材料中的陷阱是正电性的 (空态时呈正电性 ,
吸引一个电子时不带电 ) ,或者材料中存在大量的
施主或受主中心.
图 4 施主效应的 P - F效应 [ 8 ] ( Ed 为施主能级的深度 ,Δ< 为 势垒降 )
图 3 A l/A lq3 /A l/A lq3 /A l0 为真空介电常数 , K为相对
介电常数. 如果不考虑温度的影响 ,上式可定性看作
如下关系 :
ln ( I /V ) ～ V1 /2.
(2)
P - F效应是一种体效应 ,产生这种效应的前提
就是 :在界面处形成非阻挡接触 ,或者即使界面处是
阻挡接触 ,但是势垒很薄 ,可以通过隧穿的方式向体
应 ( electrode2lim ited)将阻变机理分成两大类 [8 ] ,其 穿的方式穿过局域态到达正电极 ,此时 SiO 薄膜处
中体效应是指发生在体内的电阻转变现象 ,相应的 于低阻态. 而在能带弯曲的 Ⅰ区 ,由于陷阱能级的差
机理包含 S - V ( Simmons - Verderber) 理论 , P - F 异 ,导致了隧穿难度的加大 ,因此有少量电子驻留在
阻变式存储器的读写机制是 : 采用简单的结
构 ,如 1D 1R (一只二极管和一个阻变器 )或 1 T1R (一只晶体管和一个阻变器 ) ,如图 1 所示 ,利用高
2. 1 体效应 ( bulk2lim ited) 2. 1. 1 S - V 理论
电压改变材料的阻值的大小 ,即擦 /写要存储的信 息 ,然后用一个适当的小电压读取存储的信息.
2. 1. 2 P - F效应
P - F效应或者称为场助热电离效应 ( field2as2

二元过渡族金属氧化物非挥发电阻转变型存储器[发明专利]

二元过渡族金属氧化物非挥发电阻转变型存储器[发明专利]

专利名称：二元过渡族金属氧化物非挥发电阻转变型存储器专利类型：发明专利
发明人：刘琦,刘明,龙世兵,贾锐,管伟华
申请号：CN200710304220.3
申请日：20071226
公开号：CN101471421A
公开日：
20090701
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于离子注入的二元过渡族金属氧化物非挥发电阻转变型存储器，该存储器包括：一上导电电极；一下导电电极；一位于该上导电电极与下导电电极之间的二元过渡族金属氧化物薄膜，该二元过渡族金属氧化物薄膜中注入有离子。

本发明在二元过渡族金属氧化物中注入离子，可以极大地提高器件的产率，增加器件高、低阻态之间的比值，减小各个器件之间电阻转变特性的离散值。

本发明的存储器器件具有结构简单，易集成，成本低，与传统的硅平面CMOS工艺兼容等优点，有利于本发明的广泛推广和应用。

申请人：中国科学院微电子研究所
地址：100029 北京市朝阳区北土城西路3号
国籍：CN
代理机构：中科专利商标代理有限责任公司
代理人：周国城
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基于I-V特性的阻变存储器的阻变机制研究

基于I-V特性的阻变存储器的阻变机制研究

基于I-V特性的阻变存储器的阻变机制研究李颖弢;刘明;龙世兵;刘琦;张森;王艳;左青云;王琴;胡媛;刘肃【期刊名称】《微纳电子技术》【年(卷),期】2009(46)3【摘要】随着器件尺寸的缩小,阻变存储器(RRAM)具有取代现有主流Flash存储器成为下一代新型存储器的潜力。

但对RRAM器件电阻转变机制的研究在认识上依然存在很大的分歧,直接制约了RRAM的研发与应用。

通过介绍阻变存储器的基本工作原理、不同的阻变机制以及基于阻变存储器所表现出的不同I-V特性,研究了器件的阻变特性;详细分析了阻变存储器的五种阻变物理机制,即导电细丝(filament)、空间电荷限制电流效应(SCLC)、缺陷能级的电荷俘获和释放、肖特基发射效应(Schottky emission)以及普尔-法兰克效应(Pool-Frenkel);同时,对RRAM器件的研究发展趋势以及面临的挑战进行了展望。

【总页数】8页(P134-140)【关键词】阻变存储器;非挥发性存储器;I-V特性;阻变机制;工作原理【作者】李颖弢;刘明;龙世兵;刘琦;张森;王艳;左青云;王琴;胡媛;刘肃【作者单位】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;兰州大学物理科学与技术学院微电子研究所,兰州730000;安徽大学电子科学与技术学院,合肥230039【正文语种】中文【中图分类】TN304.21;TP333.8【相关文献】1.测量I-V特性分析阻变存储器的导电机制 [J], 谢伟2.“22nm关键工艺技术先导研究与平台建设”项目通过验收/中科院阻变存储器微观机制研究获进展/新型内存可在超过300℃高温下工作 [J],3.基于Cu/SiOx/Al结构的阻变存储器多值特性及机理的研究 [J], 陈然;周立伟;王建云;陈长军;邵兴隆;蒋浩;张楷亮;吕联荣;赵金石4.阻变存储器阻变层材料专利技术综述 [J], 黄晓亮; 田凌桐; 王文晓; 孟圆5.一种Cu_xSi_yO阻变存储器的温度特性与微观机制分析 [J], 罗文进;胡倍源;杨玲明;林殷茵因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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图 2 S - V 理论的能带示意图 [9 ] ( <0 为势垒高度 ,Ψm 是金属的功 函数 , V 为外加电压 , < i 为局域态顶部能量 )
在外加电压的作用下 ,电子进入局域态并以隧 穿的方式穿过局域态到达正电极 ,此时 SiO 薄膜处 于低阻态. 而在能带弯曲的 Ⅰ区 ,由于陷阱能级的差 异 ,导致了隧穿难度的加大 ,因此有少量电子驻留在 这里.
电压改变材料的阻值的大小 ,即擦 /写要存储的信 息 ,然后用一个适当的小电压读取存储的信息.
Simmons和 Verderber在 1967 年提出 S - V 理 论 ,解释了在 SiO 薄膜中产生负阻的现象 [ 9 ]. 在电化
阻变式存储器所用的阻变材料有很多种 ,如二 元金属氧化物 、钙钛矿结构三元化合物 、硫系化合
学反应过程中 ,金原子在电场作用下 ,从电极扩散到 SiO 层中 ,形成深能级电子陷阱局域态 ,如图 2 ( a)
物 、有机半导体 ,其中二元金属氧化物因它的组成结 构简单 ,与传统 CMOS工艺相兼容而进入阻变式存
所示.
储器主流研究领域. 本文通过对阻变式存储器的体材料中几种基本
电荷输运机制的介绍 ,总结了目前对阻变式存储器
1 引言
随着便携式消费电子被越来越广泛的使用 ,对 大容量非挥发性存储器的需求也越来越迫切. 传统 的可擦除编程只读存储器 ( EPROM )和电可擦除编 程只读存储器 ( E2 PROM )已远远不能满足现今的市 场需求 ,而基于浮栅结构的快闪 ( flash)存储器也由 于较高的操作电压和复杂的电路结构一直被业界所 诟病 ,于是各种新型的下一代非挥发性存储器应运 而 生 , 如 铁 电 存 储 器 ( FeRAM ) [ 1 ] 、磁 存 储 器 (MRAM ) [ 2 ] 、相变存储器 ( PRAM ) [ 3 ] ,阻变式存储器 (RRAM ) [ 4 ]等. 在这些新型非挥发性存储器当中 , FeRAM , MRAM 以及 PRAM 的存储机理已经被研究
获或释放电荷的方式来控制导带中电子浓度 ,从而
决定了电导的大ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ [ 11 ] ,所以 F - P效应的本质原因
通讯联系人. lium ing@ ime. ac. cn
·870·
http: ΠΠwww. wuli. ac. cn 物理 ·37卷 (2008年 ) 12期
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
非常透彻 ,但是对阻变式存储器阻变机制的认识仍 然存在很大分歧 ,没有统一的理论解释. 尽管如此 , 相比其他非挥发存储器 ,阻变式存储器以其低操作 电压 、低功耗 、高写入速度 、耐擦写 、非破坏性读取 、 保持时间长 、结构简单 、与传统 CMOS (互补金属氧 化物半导体 )工艺相兼容等优点而被广泛研究 [ 5 ] , 表 1列出了各种存储器的性能比较 [ 6 ].
Abstract Resisitive random access memories ( RRAM s) are one of the most p rom ising next - generation non volatile memory devices, based on reversible switching between high and low resistance states by the app lication of an external electric field. They have been widely studied as a remarkable new type of memory device, due to their potential for scaling down beyond the 32nm node lim it to rep lace current mainstream flash memory devices. How2 ever, controversy about the resistance switching mechanism of RRAM s has severely lim ited their further develop2 ment and app lication. In this article certain essential models of the charge2transportation in the bulk material are described, and p resent theories exp laining the resistance switching mechanism are also reviewed. Keywords non2volatile, resistive random access memory ( RRAM ) , review, space charge lim ited current ( SCLC) , filament
如下关系 :
ln ( I /V ) ～ V1 /2.
(2)
P - F效应是一种体效应 ,产生这种效应的前提
就是 :在界面处形成非阻挡接触 ,或者即使界面处是
阻挡接触 ,但是势垒很薄 ,可以通过隧穿的方式向体
内注入大量电子 [ 11 ]. 同时体内一般要有以下两种状
况 [ 13 ] :材料中的陷阱是正电性的 (空态时呈正电性 ,
物理学和高新技术
阻变式存储器存储机理 3
王 永 管伟华 龙世兵 刘 明 谢常青
(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 阻变式存储器 ( resistive random access memory, RRAM )是以材料的电阻在外加电场作用下可在高阻态和 低阻态之间实现可逆转换为基础的一类前瞻性下一代非挥发存储器. 它具有在 32nm 节点及以下取代现有主流 Flash 存储器的潜力 ,成为目前新型存储器的一个重要研究方向. 但阻变式存储器的电阴转变机理不明确 ,制约它的进一步 研发与应用. 文章对阻变式存储器的体材料中几种基本电荷输运机制进行了归纳 ,总结了目前对阻变式存储器存储 机理的理论模型. 关键词 非挥发性 ,阻变式存储器 (RRAM ) ,综述 ,空间电荷限制电流 ( SCLC) , 细丝
50 n s
8ns
高 D e lta电流
1μs 1—100m s
10ns 50ns
低 30ns 30ns
50 n s
8ns
中
高
50ns 高
20ns 低
30ns 低
电容容量 晶体管数目 栅氧厚度 /高压 光刻 强诱电体面积
MRAM 是 高 中
20 —40 % 30ns 30ns 30ns 中
编程电流
RRAM 是 低 低
10 —106 10ns 30ns 20ns 低 光刻
阻变式存储器的读写机制是 : 采用简单的结
构 ,如 1D 1R (一只二极管和一个阻变器 )或 1 T1R (一只晶体管和一个阻变器 ) ,如图 1 所示 ,利用高
2. 1 体效应 ( bulk2lim ited) 2. 1. 1 S - V 理论
3 国家重点基础研究发展计划 (批准号 : 2006CB302706)和国家自 然科学基金 (批准号 : 90607022, 90401002, 90207004, 60236010, 60506005, 60390071)资助项目. 2008 - 03 - 06收到初稿 , 2008 - 03 - 18收到修改稿
继续加电压至 Vmax ,能带弯曲加大 ,使局域态能 带的顶部接近于费米能级 ,这时局域态内部的电子 隧穿通道减少 ,从而隧穿难度加大 ,导致电流急剧下
物理 ·37卷 (2008年 ) 12期 http: ΠΠwww. wuli. ac. cn
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
吸引一个电子时不带电 ) ,或者材料中存在大量的
施主或受主中心.
图 4 施主效应的 P - F效应 [ 8 ] ( Ed 为施主能级的深度 ,Δ< 为 势垒降 )
图 3 A l/A lq3 /A l/A lq3 /A l的电流电压关系图 [10 ]
2. 1. 2 P - F效应
P - F效应或者称为场助热电离效应 ( field2as2
从高阻到低阻的转变则需要加电压至 Vth ,局域 态能带顶驻留的电子在电场的作用下被释放出来 , SiO 材料重新回到低阻态. S - V 理论的 I - V 曲线呈 字母 N 形 ,为单极性 ,如图 3所示.
兹曼常数 , T为温度 ,ε0 为真空介电常数 , K为相对
介电常数. 如果不考虑温度的影响 ,上式可定性看作
sisted thermal ionization) ,是一种发生在体内的类似
于肖特基势垒的效应 [ 8 ]. 绝缘体材料在生长过程中
发生分解或受污染时必然带来大量的陷阱 ,这些陷
阱在体内产生类似于界面处的库仑势垒 ,严重限制
了漂移电流和扩散电流 ,而相邻陷阱间的距离比较
大 ,隧穿现象又很难发生 ,因此这时只能通过陷阱俘
物理学和高新技术
降 , SiO 薄膜进入到负微分电阻区 (NDR ). 再增加电压至 Vmin ,隧穿现象趋于停止 ,电流降
至最低点. 若此时迅速撤去外加电压 ,能带弯曲处陷 阱中的电子不能及时释放出来 ,在声子的作用下 ,电 子逐渐隧穿到 Ⅱ区的局域态能带顶部并驻留下来 , 形成附加电子势垒 ,阻碍电子进入局域态 ,如图 2 ( b)所示 , SiO 薄膜进入高阻状态 ,此时加一个较小 的电压就可以读取储存的信息.