阻变随机存储器综述.docx

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1、引言11RRAM技术回顾12RRAMI作机制及原理探究42.1RRAM基本结构42.2RRAM器件参数62.3RRAM的阻变行为分类72.4阻变机制分类92.4.1电化学金属化记忆效应112.4.2价态变化记忆效应152.4.3热化学记忆效应192.4.4静电/电子记忆效应232.4.5相变存储记忆效应242.4.6磁阻记忆效应262.4.7铁电隧穿效应282.5RRAM与忆阻器303RRAM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

2、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)⑶、磁性随机存储器(MRAM)⑷、相变随机存储器(PRAM)⑸等。然而，FeRAM及MRAM

3、在尺寸进一步缩小方而都存在着困难。在这样的情况下，RRAM器件因其具有相当可观的微缩化前景，在近些年己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。1RRAM技术虽然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AI/SiO/Au、AI/AI2O3/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

4、这种基于金属■介质层■金属(MIM)三明治结构在偏压变化吋发生的阻变现彖［6］。如图1所示，Hickmott着重研究了基于AI2O3介质层的阻变现象，通过将阻变现象与空间电荷限制电流理论、介质层击穿理论、氧空洞迁移理论等进行结合，尝试解释了金属氧化物介质层阻变现象的机理。虽然在这篇文献报道屮,最大的开关电流比只有30:1,但本次报道开创了对阻变机理研究的先河，为之后的RRAM技术研发奠定了基础。00l70VOLTS图1.T.W.Hickmott报道的基于AI/AI2O3/Au结构的电流•电压曲线，其中氧化层的厚度为300A

5、,阻变发生在5V左右，开关电流比约10:1［6］Hickmott对阻变现象的首次报道立刻引发了广泛的兴趣，之后在十九世纪60年代到80年代涌现了大量的研究工作，对阻变的机理展开了广泛的研究。除了最广泛报道的金属氧化物，基于金属硫化物⑺、无定形硅⑻、导电聚合物⑼、异质结构［10］等新材料作为介质层的结构也表现出了阻变性质。这些研究工作也很快被总结归纳［口、121o早期的研究工作主要是对于阻变的本质和机理进行探究,以及对阻变机理应用于RRAM技术的展望。但此时半导体产业对新型NVM器件的研究尚未引起广泛重视，并且在对阻变现象的

6、解释过程屮遇到了很多困难，没有办法达成广泛的共识，故而在80年代末期，对阻变的研究一度趋于平淡。90年代末期，摩尔定律的发展规律开始受到物理瓶颈的限制，传统硅器件的微缩化日益趋近于极限，新结构与新材料成为研究者日益关注的热点。与此同时，研究者开始发现阻变器件极为优异的微缩化潜力及其作为NVM器件具有可观的应用前景[13],因而引发了对基于阻变原理的RRAM器件的广泛研究。如图2所示，近十年来，由于RRAM技术的巨大潜力，业界对非易失性RRAM的研究工作呈逐年递增趋势[14]o日益趋于深入而繁多的研究报告，一方面体现着RRA

7、MR益引起人们的重视，而另一方面，则体现着其机理至今仍存在的不确定性，仍需要大量的研究讨论。尽管口从对阻变现象的初次报道以来，阻变器件结构一直沿用着简单的金属■介质层■金属(MIM)结构，且对于所有材料的介质层，其电流■电压特性所表现的阻变现象几乎一致，但是对于不同的介质层材料，其阻变现象的解释却各有分歧。总体而言，基于导电细丝和基于界面态的两种阻关于阻变(resistiveswitching)每年发表文章数图2.由WebofScience统计的每年关丁•阻变(resistiveswitching)词条发表的文章数[14]

8、o变解释理论已被大多数研究者接受，尤以导电细丝理论最被广泛接纳。由于基于细丝导电的器件将不依赖于器件的面积，于是材料的多样性配以细丝导电理论，愈加拓宽了RRAM技术的应用前景。截至今FI,研究较为成熟的RRAM介质层材料主要包括：二元过渡金属氧化物(TMO),如NiO［15,16］＞TiO2［17］＞Z