阻变随机存储器(RRAM)综述(8)

3 RRAM研究现状与前景展望

目前有相当多的RRAM研发工作力图将阻变单元融入到传统的CMOS存储器结构当中。其中发展最为领先的为基于Ag/GeSex/W结构ECM单元集成到90nm CMOS工艺的尝试，这也就是所谓的1T1R存储器。如图25所示[60]，图中显示了两个ECM单元分别连接着公共位线BL。ECM单元与附近的选择晶体管连接构

图25. 集成ECM单元的a)剖面图和b)电路示意图。图中，M1：级联金属层；VC：联通

接触；SC：存储接触；CC：单元接触；CB：接触字线：CA：接触阵列器件；CN：接触节点；WL：字线；BL：位线；PL：平面线。[60]

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成1T1R的有源RRAM标准单元。采用Ag作为ECM的金属电极。基于这样的结构，业已达到2Mb的集成密度且2bit/单元的多级阻变工作，阻变速度<50ns, 工作寿命高于107的写周期，数据保持时间在70℃高温下仍可保持十年[60]。同时，基于NiO的TCM单元也被成功地植入180nmCMOS工艺当中[61]。其材料和工艺表现出与传统CMOS工艺的高度兼容。其1T1R单元可以达到106周期的工作寿命，快速阻变、高低阻值比大于10且在温度达到300C也可以稳定工作。基于TaOx的VCM单元被集成到180nmCMOS技术当中，其工作寿命长达109周期，且在85℃的温度下数据保持可以超过10年[62]。

与基于传统CMOS工艺的有源RRAM器件相比，无源RRAM阵列显示出更加可观的应用前景，因此其存储阵列将会占用更小的面积，可以做到更高的密度。基于无源RRAM单元的阵列可以做成交叉条状（crossbar）的结构，然后通过可编程门阵列（FPGA）分别调用，以此结构甚至可以代替传统的CMOS电路。但无源阵列面临的一个很大问题就是相邻单元之间的干扰，如何保证高阻态的单元不会被临近的低阻态单元所干扰始终是一个令人头疼的问题。

另外，多级阻变已经在很多基于氧化还原反应的RRAM系统中得到了观测，比如Ag/Ag-Ge-Se/Pt及Cu/SiO2/Pt单元。这是由于限制电流（Compliance Current）能够有效控制开态电阻，从而采用多级限制电流也就为多级阻变系统的实现创造了可能。如图26展示了不同大小的写电流情况下开态电阻的分布情况，可以看到随写电流的增大，开态电阻呈一定规律地减小，这从RRAM功耗缩小和多级存储器实现的角度而言都是一个好的消息。而由图中可见，此两种ECM单元的开态电阻变化范围可达106之多，因而ECM机制尤其适合多级存储器的实现。多级存储器的实现也为存储器尺寸的进一步减小创造了可能，具有相当可观的应用价

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值。

图26 开态电阻随写电流变化而产生的变化过程。可以看到写电流越大开态电阻越小。[28]

而K. Terabe等人通过Ag/Ag2S/1nmAg/Pt的结构实现了纳米级的基于ECM单元的多级存储器[63]，可以在1Mhz以上的频率工作，且操作电压不超过0.6V。 最重要的是，RRAM器件显示非常可观的微缩化潜力。据报道，M. Kund等人通过在W底电极上淀积惰性Si3N4，刻蚀出通孔(20nm直径)后依次填充W、GeSe介质层和Ag顶电极的方法，制备出了20nm的RRAM器件[64]，从而提供了基于ECM单元的RRAM突破20nm的可能性，这也使得RRAM在众多的NVM器件中显得更加具有吸引力。因而，虽然RRAM的阻变机制还需要人们去进一步探究，器件可靠性与可重复性也需要提高，但其独特的性能和出众的应用潜力使其有可能为半导体工业的明天带来革命性的进步。

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参考文献

[1] G. I. Meijer, Who wins the volatile memory race?, materials science, 2008, 319, 1625~1626

[2] H. R. Lankhorst, W. S. M. M. Ketelaars, R. A. M. Wolters, Low-cost and nanoscale non-volatile memory concept for future silicon chips, Nature materials, 2005 4, 347~352

[3] G. R. Fox, Current and fucture ferroelectric nonvolatile memory technology, J. Vac. Sci., 2001, 19, 1967~1971

[4] S. Tehrani, J. M. Slaughter, M. Deherrera, Superparamagnetism and the future of magnetic random access memory, J. Appl. Phys.. 93, 9310~9315

[5] S. Lai, Current Status of the Phase Change Memory and its Future, Int. Electron. Devices Meeting, 2003, 10.1.1~10.1.4

[6] T. W. Hickmott, Low-Frequency Negative Resistance in Thin Anodic Oxide Films, J. Appl. Phys., 1962, 33, No. 9, 2669~2682

[7] R. Ovshinsky, Localized States in the Gap of Amorphous Semiconductors, Phys. Rev. Lett., 1976, 36(24), 1469~1472

[8] P. G. Lecomber, A. E. OWEN, W. E. SPEAR, et.al, The Switching Mechanism in Amorphous Silicon Junction, J. Non-Crystalline Sol., 1985, 77(2), 1373~1382 [9] Y. G. Kriger, N. F. Yudanov, I. K. Igumenov, et.al, J. Struct. Chem. 1993, Vol. 34, 966 [10] H. J. Hovel and J. J. Urgell, Switching and Memory Characteristics of ZnSe -Ge

38

Heterojunctions, J. Appl. Phys., 1971, 42, 5076

[11]G. Dearnaley, A. M. Stoneham, Electrical phenomena in amorphous oxide films, Rep. Prog. Phys., 1970, 33, 1129

[12] H. Pagnia, N. Stonik, Bistable Switching in Electroformed Metal-Insulator-Metal devices, Phys. Status Solidi A, 1988, 108(1), 11~65

[13] A. Beck, J. G. Bednorz, C. Gerber, et.al, Reproducible swiching effect in thin oxide films for memory application, Appl. Phys. Lett., 2000, 77(1), 139~141 [14] http://www.isiknowledge.com/, 2011-6-3

[15] J. Y. Son, Y. H. Shin, Direct Observation of Conducting Filaments on Resistive Switching of NiO Thin Films, Appl. Phys. Lett., 2008, Vol. 92, 222106

[16] C. B. Lee, B. S. Kang, A. Benavad, et.al, Effects of Metal Electrodes on Resistive Memory Switching Property of NiO Thin Films, Appl. Phys. Lett., 2008, 93, 042115 [17] D. H. Kwon, K. M. Kim, J. H. Jang, et al. Atomic structure of conducting nano- filaments in TiO2 resistive switching memory. Nat. Nanotechnol., 2010, 5(2): 148?153.

[18] W. Y. Chang, Y. C. Lai, T. B. Wu, et al. Unipolar resistive switching characteristics of ZnO thin films for nonvolatile memory applications. Appl. Phys. Lett., 2008, 92(2): 022110.

[19] K. Terabe, T. Hasegawa, T. Nakayama, et al. Quantized conductance atomic switch. Nature, 2005, 433(7021): 47?50.

[20] R. Soni, P. Meuffels, H. Kohlstedt, et al. Reliability analysis of the low resistance state stability of Ge0.3Se0.7 based solid electrolyte nonvolatile memory cells. Appl.

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