新型高密度1S1R结构阻变存储器件概述.docx

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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1S1R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

第一章绪论

1.1阻变存储器

1.1.1RRAM基本结构

阻变存储器（ResistiveRandomAccessMemory,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（Nonpolar）[1]。

图1.1RRAM基本结构图

1.1.2RRAM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]。

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

DRAM

SRAM

FLASH

PRAM

MRAM

RRAM

每位成本

低

高

中

低

中

很低

单元尺寸（F2）

6-12

50-80

7-11

5-8

耐久性

∞

>105

>102

∞

>109

缩小限制

电容

隧穿氧化层

电流

光刻

多值存储

否

是

否

是

与COMS兼容性

差

好

中

好

中

好

读时间

50ns

8ns

50ns

20ns

10ns

20ns

写/擦时间

50ns/50ns

8ns/8ns

1μs/1-100ms

10ns/50ns

30ns/30ns

10ns/10ns

读信号动态范围

100-200mV

DeltaCurrent

10X-100X

20-40%

10X-1000X

特性

DRAM

SRAM

FLASH

PRAM

MRAM

RRAM

编程电压

较低

高

----

中等

低

编程功耗

中

高

较低

高

低

单元晶体管数

0T/1T

不挥发性

否

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。

1.3.2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、backtoback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

3.11T1R

串联一个MOSFET作为形成1T1R结构（onetransistoroneresistor），这是一种有源阵列结构，如图3.1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[50]

W.W.Zhuang等人在2002年IEDM上首次报道了采用0.5μmCMOS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6F2[51]。

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。

3.21D1R

在每个阻变存储器上串联一个二极管，构成1D1R存储单元，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3.21D1R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

3.31S1R

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-JiaHuang[80]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，VSet

这个1S1R结构表现出的是可重复的双极转变特性，而且，10%读阈值下时，最大的交叉阵列大小可以达到106bit。

图3.6（a）选通管Ni/TiO2/Ni与双极性阻变存储单元Ni/HfO2/Pt的电学特性

（b）该1S1R结构串联之后的电学特性

2012年的VLSI上，HyunsangHwang小组[81]报道了Pt/TaOx/TiO2/TaOx/Pt器件结构的1S1R单元，此单元的选通管最大电流密度>107A/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

Technology

OnCurrentDensity（MA/cm2）

On/OffRatio

Voltagedesignability

SwitchingSpeed

TechnologyMatutity

Ni/TiO2/Ni[6]

10-4

104

P/NR

Low

TaN/SiNx/TaN[7]

0.1

150

P/NR

<8.5

Medium

MIEC[8]

0.15

104

Low

Polynpn[9]

>0.02

500-5000

High

Technology

OnCurrentDensity（MA/cm2）

On/OffRatio

Voltagedesignability

SwitchingSpeed

TechnologyMatutity

VO2MIT[10]

<20ns

Low

Epi-npn（Thiswork）

250-4700

Yes

<10ns

High

3.4backtoback结构

将两个双极转变的阻变存储元件串联，就构成了一个互补电阻开关（Complementaryresistiveswitches,CRS），也称为背靠背（backtoback）结构，该概念是RainerWaser小组在2010年提出的[67]。

如图3.8所示，是背靠背结构，其中串联了两个双极性阻变存储元件，分别是A和B，以及它们的I-V特性曲线。

背靠背结构的读取性质是特殊的，刚开始，背靠背结构是OFF态，A、B都处与高阻态；背靠背结构状态为“0”时，A是高阻态B是低阻态；背靠背结构存储数据“1”时，A为低阻态B为高阻态；背靠背结构处于ON时，A、B都是低阻态，当然仅仅只在读操作时才会出现。

图3.8背靠背结构及其特性：

（a）双极性存储单元A，（b）A的I-V特性，（c）双极性存储元件B，（d）A的I-V特性，（e）A和B串联构成背靠背结构，（f）背靠背结构的I-V特性，（g）Pt/SiO2/GeSe/Cu/GeSe/Pt结构的存储性质[67]

2011年韩国三星电子公司在“naturematerials”报道了Pt/Ta2O5-X/TaO2-X/Pt/TaO2-X/Ta2O5-X/Pt的电学性质，Reset的电流仅为50uA，足够存储106bit的数据[68]。

这样一来背靠背结构确实能够抑制无源交叉阵列中的串扰问题，但是又存在自己的问题，背靠背结构的交叉阵列大小受其存储窗口的影响，其高低阻态的开关还比较低，存储窗口比较小，所以限制了交叉阵列的大小；而且这个结构在存储“0”“1”时其电阻的状态都是高阻态的，所以要经过一定的加电压预处理才能判断出其状态，这样一来因为多次操作就很容易影响存储单元的使用寿命。

3.5具有自整流特性的1R结构

这是一种不需要串联任何选择器就能避免串扰问题的结构，在此不算是一种1S1R（oneselector-oneresistor）结构。

具有自整流特性的阻变存储器在低阻态时，有明显的整流特性，所以能避免串扰问题。

目前报道具有这种自整流特性的器件有TiW/Ge2Sb2Te5/W[69]、Au/ZrO2:

Au-nanocystal/n+-Si[70]、Ag/RbAg4I5/n-Si[71]、Si/a-Sicore/Agnanowires[72]、Ag/a-Si/p-Si[73]、Pt/ZrO2/n+-Si[74]和Agnanowires/a-Si/poly-Si[75]等。

如图3.9所示，Zuo等人[74]利用了具有自整流特性的Pt/ZrO2/n+-Si存储器制备了一次编程存储器，作为反熔丝编程到低阻态的时候，会在低阻态一直保持住，整流比也大于104，这种存储器的开关比约等于106，且在编程的前后电阻分布很集中，在室温下数据保持特性高达到了105s。

图3.9（a）WORM器件的PRG及其I-V曲线，（b）该器件编程前后正向电流均匀性统计分布图[74]

如图3.10所示，Jo等人[76]制备了基于a-Si忆阻器的1Kb的高密度交叉阵列，表现出了极高的特性，高达98%的器件产率、大于103的开关比以及很好的均匀性（80%单元的低阻态值在50-150KΩ的范围内）。

此结构本身的自整流特性也很好的避免了双极性阻变存储器交叉阵列中的串扰问题。

图3.10Ag/a-Si/p-Si交叉阵列示意图[76]

如图3.11所示，这是目前部分的研究报道的具有自整流特性的1R结构的阻变存储器的性能参数。

表现以下几个特点：

与目前的CMOS工艺完全兼容、比串联一个选择器（1S1R）要结构简单，稳定性好，并且克服了串联选择器限制，不会有干扰，这些特点使得自整流阻变存储器件在新型高密度的无源交叉阵列结构的应用中有一定的竞争力。

图3.11目前报道出来的部分具有自整流特性的RRAM

第四章1S1R结构阻变存储器件研究进展

对于1T1R，相比较来说无源阵列结构很容易实现3D集成。

如图15所示，类似于实现多层互连，我们可以把多层存储阵列叠置起来，在存储层间用绝缘材料隔离开[77]。

用这种方式可以提高芯片的存储密度。

1D1R也可以这样实现3D集成[78]。

而1T1R，因为需要在硅衬底上制作晶体管作为单元开关器件，不能如图15所示把单元阵列叠置起来。

如果要进行3D集成，需要通过芯片叠置技术堆叠，但是这样下来工艺成本很高，还受到功耗和散热的问题限制。

当然还报道出一种新的单元结构为1TXR，比常规的1T1R单元要节省很多面积，也不会增加工艺复杂度，如果采用8层金属工艺来实现1T64R单元，那么可以比1T1R单元结构的密度提高整整260%[79]。

不过这种结构在工艺方面跟1T1R一样，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。

对于1D1R，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。

其中大的正向电流密度和高的整流比是实现交叉阵列高信号读取余度和高集成密度的关键因素。

对于1S1R，存在的问题主要是非线性系数低，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。

对于CRS，目前主要是存储窗口比较小，所以限制了交叉阵列的大小；而且其使用寿命不长的问题有待解决。

对于具有自整流特性的1R，具有自整流性质的阻变存储器并不多。

表4.1中给出的是阻变存储器的不同单元结构的参数性能。

可以看出，1D1R结构和1S1R结构在抗串扰现象上比较有优势，能减小阵列的漏电流，但是仍然不能完全抑制。

目前，对具有多值存储能力的RRAM器件和RRAM的3D集成技术研究已经是此研究领域的趋势，找到抑制交叉串扰最好的方法，有着重大的意义。

表4.1阻变存储器不同单元结构的参数性能

结构

尺寸

选择器

读取损伤

工艺温度

4F2

无

低

1T1R

>8F2

场效应晶体管

无

高

1BJT1R

4F2

双极结型晶体管

无

高

CRS

4F2

双极转变阻变存储元件

有

低

1D1R

4F2

二极管

无

低

1S1R

4F2

选通管

无

低

第五章总结与展望

5.1论文总结

作为下一代非挥发性存储器的有力竞争者，国际上对RRAM存储器的研究工作如火如荼。

高密度是目前存储器行业追求的一个重要性能，基于整流特性的RRAM无源交叉阵列由于其结构简单、密度高、易3D集成而得到广泛的关注，是RRAM实现高密度的一种极具应用前景的方法。

本论文主要对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，主要包括：

一、分析了有源和无源结构阵列的各自特点，阐述了无源交叉阵列中的串扰问题。

二、阐述1S1R结构中各种不同选择器的类型，以及其对串扰问题的抑制效果，并阐述了不同选择器性能参数对交叉阵列大小的影响。

三、阐述了目前1S1R的研究进展，并对比分析了各类选择器的优势，预测在未来的研究过程中，1D1R结构和1S1R结构有着较大的优势。

5.2未来工作展望

交叉阵列是一种非常适合于高密度大容量存储器的集成结构。

对于通过电

阻值不同来区分存储信息的一类存储器采用该结构容易因串扰而发生误读，因此

制备适用于交叉阵列结构的存储单元是很关键的技术。

就目前研究进展而言，本论文所阐述的各类存储器仅仅只能减小交叉阵列的漏电流，暂时还不能完全抑制串扰问题，因此，进一步研究串扰机理，找到抑制交叉串扰最优的方式，结合从其他角度来抑制串扰，对阻变存储器能否实现高密度存储并广泛应用到市场中有着重大的影响。

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