阻变式存储器存储机理

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1、http: www. wuli . ac. cn 物理 37卷(2008年) 12期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 accessmemory, 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

2、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The storage mechanis m of resisitive random accessWANG Yong GUAN Wei2Hua LONG Shi2Bing LI U Ming XIE Chang2Qing(Key Laboratory of Nano-Fabrication and Novel Devices Integrated Technology,Institute ofM icroelectron

3、ics, Chinese Academy of Sciences, Beijing100029, China)Abstract Resisitive random accessmemories (RRAMs) are one of themost promising next - generation non -volatile memory devices, based on reversible switching between high and low resistance states by the application ofan external electric field.

4、They have been widely studied as a remarkable new type ofmemory device, due to theirpotential for scaling down beyond the 32nm node limit to replace currentmainstream flash memory devices . How2ever, controversy about the resistance switching mechanism of RRAMs has severely limited their further dev

5、elop2ment and application.In this article certain essential models of the charge2transportation in the bulk material aredescribed, and present theories explaining the resistance switchingmechanism are also reviewed.Keywords non2volatile, resistive random access memory (RRAM) , review, space charge l

6、imited current(SCLC) , filament3 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 通讯联系人. liumingime. ac. cn1 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(E2PROM)已远远不能满足现今

7、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

8、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 .078物理学和高新技术物理 37卷(2008年) 12期 http: www. wuli . ac. cn表1 各种存储器的性能比较6存储器DRAMSRAMFLASHPRAMFeRAMMRAMRRAM 非挥发性否否是是是是是 编程功率低低高低低高低 编程电压低低高-低中低 读取电压范围100200mV 100200mVDelta电流-2040%10106 写入时间50ns8ns1s10ns30ns30ns10ns 擦除时间50ns8ns1100ms50ns30ns30ns30ns 读取时

9、间50ns8ns50ns20ns30ns30ns20ns 编程能量中高高低低中低 高密度集成难点电容容量晶体管数目 栅氧厚度/高压 光刻强诱电体面积编程电流光刻阻变式存储器的读写机制是:采用简单的结 构,如1D1R (一只二极管和一个阻变器)或1T1R(一只晶体管和一个阻变器) ,如图1所示,利用高 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. 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 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储器主流研究领域. 本

10、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 阻变机理的一些理论模型.图1 1T1R结构以及RRAM的结构示意图7(Vg为栅电压,Vcell为存储器件单元的工作电压)2 RRAM存储机理根据不同材料结构, RRAM的存储机理有多种 解释.本文根据体效应(bulk2limited)和电极限制效 应(electrode2limited)将阻变机理分成两大类8 ,其 中体效应是指发生在体内的电阻转变现象,相应的 机理包含S - V (Simmons - Verderber)理论, P - F(Poole - Frenkel)效应, SCLC ( space c

11、harge limitedcurrent,中译名为空间电荷限制电流)理论, Fila2ment(细丝)理论,而电极限制效应是指在电极与薄 膜材料的界面处由表面态导致电阻转变的机理.2. 1 体效应(bulk2li mited)2. 1. 1 S - V理论Simmons和Verderber在1967年提出S - V理论,解释了在Si O薄膜中产生负阻的现象9 .在电化 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)所示.图2 S - V理论的能带示意图9(VTFL时导带中的278物理学和高新技术物理 37卷(2008年) 12期 http:

12、www. wuli . ac. cn图5 SCLC的电流电压关系原理图14(VTFL和VTFL为缺陷填充阈值电压)电子浓度远远大于陷阱中电子浓度,即 1,电流 电压关系式变成:J =9 V28L3,(4)此时薄膜材料呈低阻态,撤去所加电压,由于陷阱仍然处于被电子充满状态,所以保持低阻状态. 再加一个大的反向电压,这时陷阱中的电子被 激发出来,撤去所加电压,由于陷阱没有被填充,故又回到高阻状态15 .所以SCLC理论中的I-V特性曲线是双极性 的.由于低阻态时陷阱中充满电子,高阻态时陷阱中没有填充电子,所以低阻态受温度影响较大,高温特性较差16.2. 1. 4 Filament(细丝)理论 许多

13、材料17 - 21 在外加电压以及限流的作用下电导会急剧变大,而在高功率的作用下电导又会急剧下降,呈现单极性, Kim等人22把这种现象归结于细丝(Filament)的产生和断裂(如图6所示)23 .产生细丝的解释有两种:一种认为,金属氧化物在外加电压下会发生分解反应,产生金属原子形成 导电金属细丝24 ;另一种认为,掺杂有机物当中的金属纳米颗粒在高电场的挤压下重新排列形成细丝25 .当电流强度增加到一定程度时,细丝就会熔断,材料重新回到高阻态.此外,还有文献9 把Fila2ment当成一种导电通道,当薄膜材料中的陷阱密度 达到1019cm- 3时,相邻陷阱间的间距非常小,以致于相互之间产生影

14、响,在外加电压下,势垒会大大降 低,电子可以很轻松地越过势垒,从而极大地降低了电阻,使薄膜材料发生了从绝缘态到金属态的转变. 这种转变也有文章将其称为相邻势垒跳跃(correla2ted barrier hopping)机理26 .图6 Filament的形成与断裂示意图23由Filament产生的开态电流一般跟电极面积无 关,因为产生的导电通路只在一些特定的区域发生, 一旦导通之后,其他区域就不会再产生导电通路,其原子力显微镜(AFM)下的分布电阻如图7所示27 , 图上的尖峰对应着导通区域.图7 低阻(a)和高阻(b)时的分布电阻AFM图272. 2 电极限制效应(electrode -

15、limited)处在金属电极和薄膜材料的交界处会存在着大 量的界面态,这些界面态产生于材料淀积的过程中, 或是因为在电压驱使下,薄膜材料中的原子迁移到 电极中,导致界面处形成空位. Fujii28 等人认为,在Ti/Pr0. 7Ca0. 3MnO3界面处就是由于在正电压下Ti吸引了大量的氧离子进入电极而产生带正电的空 位.当这些带正电的空位被电子充满时,界面处电子378物理学和高新技术http: www. wuli . ac. cn 物理 37卷(2008年) 12期耗尽程度减小,能带弯曲程度降低,肖特基势垒宽度 变大,因此电子穿过势垒变得困难,薄膜材料呈现出 高阻态,如图8 (a)所示.当加

16、一个反向的大电压时, 氧离子填充回空位或界面态充满电子,界面处电子 耗尽程度增大,能带弯曲程度增加,肖特基势垒宽度变小,因而电子隧穿过势垒的几率增大,呈现出低阻 态,如图8 (b)所示.图8 界面处俘获和释放电荷后导致肖特基势垒变化的示意图表2总结了各种电阻转变机制的电流电压特性关系.表2 各种转变机制的电流电压特性关系机制电流-电压特性S - V理论具有负阻特性P - F效应ln(I/V)V1/2 SCLC理论IV2Filament理论IV,跟电极面积无关 表面态与电极材料和电极面积有关3 结束语目前对于阻变式存储器的阻变机理有着各种各 样的分类,Waser从阻变产生起源来分类29 , Sawa 等