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汇报人：伍法才简单介绍5种非易失性存储器二、非易失性存储器的简单说明一、引言三、介绍5种非易失性存储器引言•随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,我们正迈向一个信息社会。信息社会离不开信息的存贮。近半个世纪以来,人们不断地探索存贮新技术,形成了品种繁多的存储器家族,其中的半导体不挥发性存储器(Non-VolatileSemiconductorMemory)因其具有掉电仍能保持信息的特点而成为存储器家族的热门领域。简单介绍5种非易失性存储器•非易失性存储器（英语：non-volatilememory，缩写为NVRAM）是指当电流关掉后，所存储的数据不会消失的电脑存储器，其存储特性相当于硬盘。简单介绍5种非易失性存储器•重要参数：保持性能、耐受性能、读写速度、器件寿命、开关电阻比值•保持性能——非挥发性存储器的保持性能所对应的参数就是保持时间,这个时间是指从数据存储以后到第一次读错数据所跨越的时间长度。目前典型的数值是十年,而且是指在不供电的清况下。•耐受性能——在大多数非挥发技术中,写入和读取这样的常规操作会产生应力,最终能损害存储器的性能或者干扰存储器的存储数据。耐受性就是用来描叙存储器对这种应力的承受能力,这个参数的数值是指让存储器不能正确存储信息时的擦除一写入循环的最小次数。这些年以来,工业界一致认同存储器的耐受性至少要到达十万次才具有竞争力。•开关电阻比值——ROFF/RON简单介绍5种非易失性存储器铁电随机存储器（FeRAM）相变随机存储器（PRAM）磁性随机存储器（MRAM）闪速存储器(FlashMemory)阻变存储器(RRAM)1.闪速存储器(FlashMemory)•闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。Flash存储器是通过向浮栅中注入或拉出电子来实现“写”或“擦”。向浮栅中注入电子时定义为“1”将浮栅中的电子拉出定义为“0”。•1.闪速存储器(FlashMemory)•注入电子实现“写”•①热电子注入机理：当在漏和栅极上同时加高电压，电子从电场获得能量变成热电子，由源极向漏极迁移，在栅极电场的吸引下，当电子的能量大于Si/SO2界面势垒时，它们就能越过势垒注入到浮栅上。同时，强电场也会引起碰撞电离，碰撞电离产生的二次电子也能注入到浮栅上。•①福勒-诺德海姆隧穿效应机理：当在栅极和衬底之间加一个电压时,在氧化层中会建立一个电场。一般情况下,由于SiO2和Si界面的电子势垒很高(3.2eV),电子很难越过势垒注入到多晶硅栅中。Fowler等人提出,当氧化层中电场达到10MV/cm,且氧化层厚度较小(0.01μm以下)时,电子将发生直接隧穿效应,穿过氧化层中势垒注入到浮栅。•小结：通过越过势垒和电子隧穿势垒实现注入电子。拉出电子实现“擦”在控制栅极上加上负电压，或在源/漏加正电压，存储电子通过隧穿离开浮到到衬底。1.闪速存储器(FlashMemory)•电子注入示意图1.闪速存储器(FlashMemory)•整个工作机理用能带图来说明•（a）初始阶段(b)电子越过势垒或隧穿注入1.闪速存储器(FlashMemory)（c）电子成功注入(d)通过电子隧穿擦除1.闪速存储器(FlashMemory)•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，这其中包括铁电随机存储器（FeRAM）、磁性随机存储器（MRAM）、相变随机存储器（PRAM）、阻变随机存储器（RRAM）等。2.铁电随机存储器（FeRAM）原理FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储,铁电晶体的结构如图所示。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时,晶体中心原子在电场的作用下运动,并达到一种稳定状态;当电场从晶体移走后,中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶,中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置,因此FRAM保持数据不需要电压,也不需要像ROM一样周期性刷新。2.铁电随机存储器（FeRAM）2.铁电随机存储器（FeRAM）问题•大多数铁电材料均为钙钛矿晶体结构,典型的铁电材料有锆钛酸铅(PZT)，钛酸锶钡(SBT)。•锆钛酸铅(PZT)缺点是有疲劳退化问题，还有含铅会对环境造成污染。•钛酸锶钡(SBT）缺点工艺温度较高，使之工艺集成难度增大，剩余极化程度较小。•未来发展要解决的主要难题:•一是采用单元结构缩小单元面积提高集成度;•二是提高铁电薄膜性能。3.磁性随机存储器（MRAM）当铁磁层的磁矩相互平行时，由于通过绝缘隧道层的载流子与自旋有关的散射最小，电阻也就最小，器件表现出低阻态；反之，磁层的磁矩相反时，通过绝缘层的载流子与自旋有关的散射最大，这时电阻最大，使器件呈现高阻态。3.磁性随机存储器（MRAM）问题（1）制造成本十分高昂。（2）MRAM是在集成硅电路的磁性材料中存储信息，周围的磁场会对芯片产生一定影响，对于高磁环境下的磁场屏蔽也是值得考虑的问题。4.相变随机存储器（PRAM）材料在外加电压下，在晶态与非晶态间之间转换，两种状态的电阻特性不同，可以用来分别代表“0”和“1”来存储数据。(电阻加热器BEC、上下电极TE、BE相变薄膜GST)4.相变随机存储器（PRAM）CRAM写入和读取信息的具体过程为：（1）写“0”——RESET——非晶化给存储单元施加如图（a）所示的短而强的脉冲电流（电压），GST的温度被加热到熔点（Tm）以上，其分子成为无序状态，其后电压突然移去，熔融的GST经快速冷却（t1）至结晶点（Tg）以下，由于分子没有足够的时间进行重新排列，其无序状态得到保持，从而实现到高阻的非晶态的转化，实现存储信息“0”。4.相变随机存储器（PRAM）（2）写“1”——SET——晶化给存储单元施加如图（b）所示的长而幅度中等的脉冲电流（电压），GST的温度被加热到熔点（Tm）以下结晶点（Tg）以上，且该状态被保持一段时间（t2）。由于脉冲时间较长，其分子有足够的时间进行排列，成为有序状态，从而实现到低阻的晶态的转化，实现存储信息“1”。4.相变随机存储器（PRAM）（3）读——READ存储单元的读过程使用短而弱的脉冲电流（电压），如图（c）所示，其产生的热能只能使GST的温度上升到结晶点以下，材料的状态在读电脉冲下不会发生变化，通过与外电路的配合，即可读出存储元的电阻。4.相变随机存储器（PRAM）问题（1）性能不高：耐久性读写速度和次数不如FeRAM,MRAM,RRAM。（2）由于需要使用加热电阻来使相变材料发生相变，工艺越先进，单元越精细，对加热元件的控制要求也越高，发热带来的影响也越大发热和较大的耗电量可能会限制的进一步发展。（3）制造成本十分高昂。5.阻变随机存储器(RRAM)RRAM中的阻变元件一般采用简单的类似电容的金属-介质层-金属（MIM）结构，由两层金属电极包夹着一层介质材料构成。对RRAM存储机制仍有很大的争论,本次汇报简单讲解导电细丝理论。5.阻变随机存储器(RRAM)导电细丝典型结构5.阻变随机存储器(RRAM)在初始情况下，ECM单元处于如（D）图所示的关断状态。5.阻变随机存储器(RRAM)当活性阳极，如本例中的Ag电极，施加正电压，会有Ag+离子开始沿着电场方向在电解质内向惰性阴极方向迁移。当Ag+离子接触到惰性阴极时得到电子被还原，于是沉积在惰性电极表面。一旦开始有Ag颗粒沉积于阴极表面，电解质内的电场分布发生变化，Ag沉积处的高电场会导致更多Ag+离子迁移至此并被还原，于是逐渐形成一条由阴极通向阳极的细丝，如图(A)所示。5.阻变随机存储器(RRAM)在导电细丝完整形成的瞬间为置位过程，此时ECM单元的阻态迅速由高阻变为低阻。最终，电流由细丝流过，ECM单元达到开启状态，如图(B)所示。5.阻变随机存储器(RRAM)而此时当Ag电极加反向电压，两种熔断机制：(1)氧化还原细丝溶断导电细丝中的Ag原子发生氧化反应，产生带正电的Ag+；带正电的Ag+在Ag电极处还原成Ag原子。导电细丝开始断裂。（2）热熔断导电细丝因为低阻态电流产生热量过大而熔断。细丝熔断即复位过程，如图(C)所示。5.阻变随机存储器(RRAM)此时ECM单元的阻态迅速由低阻变为高阻。最终器件达到关断状态，如图(D)所示。5.阻变随机存储器(RRAM)主要问题RRAM是一项前沿的研究课题。目前关于物理机制的研究已取得了较快进展，但这些机制大都停留在实验现象上，缺乏直接的实验依据，电阻转变部位的确认,电阻转变过程中元素的变化以及电阻转变的重复性问题，是当前研究所面临的紧要问题。同时，在众多材料中寻找性能制备拓展性都满足要求的材料仍是发展的关键。5种存储器性能比较（F为特征尺寸）FlashMemoryFeRAMMRAMPRAMRRAM非易失性yesyesyesyesyes单元大小（F2)7-1115-3416-406-126-10读时间(ns)5020-803-2020-5010-50写/擦时间（ns）104/10450/503-2050/12010-50耐久性10510121015108108写入功率highlowhighlowlow高电压要求52-3V3V1.5-3V1.5-3V