新一代存储技术-阻变存储器

565国家重点基础研究发展计划(2010CB934203)资助收稿日期:2010-07-14;修回日期:2010-10-12;网络出版日期:2011-04-28网络出版地址:北京大学学报(自然科学版),第47卷,第3期,2011年5月　ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.47,No.3(May2011)　新一代存储技术:阻变存储器王源†贾嵩甘学温北京大学微电子学研究院,教育部微电子器件与电路重点实验室,北京100871;†E-mail:[e-mail]摘要阻变存储器具有存储单元结构简单、工作速度快、功耗低、有利于提高集成密度等诸多优点,受到广泛的关注。作者论述了RRAM的基本结构和工作原理,并介绍了三维集成和多值存储等RRAM新型技术。关键词不挥发性存储器;阻变存储器;电阻可逆转换;三维集成;多值存储中图分类号TP333ResistiveRAM:ANovelGenerationMemoryTechnologyWANGYuan†,JIASong,GANXuewenKeyLaboratoryofMicroelectronicDevicesandCircuits(MOE),InstituteofMicroelectronics,PekingUniversity,Beijing100871;†E-mail:[e-mail]maccessmemory(RRAM)isextensivelyconcernedbecauseofitsexcellentcharacteristics,namely,simplecellstructure,highspeed,lowpowerandhighdensity.ThebasicstructureandoperationprincipleofRRAMarepresented.ThepromisingRRAMtechnologies,suchas3Dintegrationandmulti-levelstorage,arediscussed.Keywordsnonvolatilememory;resistiverandomaccessmemory;resistancereversiblechange;3Dintegration;multi-levelstorage过去几十年里集成电路技术得到突飞猛进的发展,以集成电路为核心的信息产业已经成为国民经济的支柱产业。特别是半导体存储器在信息产业的增长中起到关键作用。DRAM,SRAM和Flash存储器已经成为信息产业的核心产品。由消费类产品驱动的存储器市场需要更高密度、高速度、低功耗、具有不挥发性且价格便宜的存储器产品。到目前为止,Flash是昀成功的高密度不挥发性存储器。但是随着器件尺寸不断缩小,Flash的发展受到限制,一方面它的编程电压不能按比例减小,另一方面随着器件尺寸减小、隧道氧化层减薄,电荷保持性能下降。因此,新的存储技术的研究越来越受到关注,如铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)。FeRAM利用铁电材料在电场作用下极化方向反转的特性存储二进制信息[1−2]。FeRAM具有自极化特性,当电场去掉后极化特性仍然保持,因此是一种不挥发性存储。MRAM利用磁性材料的2个磁化方向存储二进制信息,利用电流产生磁场改变材料的磁化方向写入信息[3−5],在没有外加磁场时材料的磁化方向保持不变,因此也是不挥发性存储。FeRAM和MRAM由于需要特殊的材料,不易与常规CMOS工艺兼容,制作成本也比较高,另外,读出信号微弱,FeRAM读操作会破坏原来的“1”信号,需要数据再生[1],这些问题影响了它们的应用。PRAM利用材料在晶态和非晶态的转化,材料在晶态是低电阻,在非晶态是高电阻,用这两种状态实现二进制信息的存储,也是不挥发性存储。但是实现材料的相变需要较大的电流,例如对于180nm工艺的器件,编程电流在几百微安到1mA[6],因此单元中的MOS晶体管尺寸不能太小,这样就限制了单元尺寸的缩北京大学学报(自然科学版)第47卷566小。RRAM利用材料电阻率的可逆转换实现二进制信息的存储。由于可以实现电阻可逆转换的材料非常多,因此便于选择出制备工艺简单且和CMOS工艺兼容的材料。RRAM存储单元结构简单、工作速度快、功耗低、信息保持稳定、具有不挥发性,而且易于实现三维立体集成和多值存储,有利于提高集成密度。表1[7−8]比较了不同类型存储器的主要性能,可以看出,RRAM在很多性能方面都有优势。因此,RRAM将有可能替代DRAM,SRAM和Flash成为通用存储器,是未来新一代存储技术的有力竞争者。1RRAM基本原理Chua[9]1971年首次从理论上提出忆阻器(memristor)的概念,这种器件的电阻可以通过施加电压或电流而改变,因此可以用它的低阻和高阻两种状态存储逻辑“0”和逻辑“1”。2000年liu等[10]报道了用电脉冲感应的电阻可逆转的(electricpulseinducedreversible,EPIR)不挥发性存储器件,他们采用钙钛矿氧化物PCMO(Pt0.7Ca0.3MnO3)作存储电阻,这就是RRAM。从此,RRAM的研究吸引了越来越多的关注,成为新一代存储技术研究的热点。可以实现电阻可逆转换的材料非常多,主要有钙钛矿氧化物[7,10]、过渡金属氧化物[11−13]、固态电解质材料[14]、有机材料[15−16]以及其他材料。不过,对众多的可用于RRAM的材料会经历一个淘汰选择的过程,一方面要深入理解材料电阻转变的物理机制,另一方面要考虑材料的制备工艺,特别要考虑和CMOS集成电路工艺兼容。到目前为止,对材料的电阻转变机制还缺乏深入理解,对电阻转变机制的探讨[11,17−18]以及如何提高器件性能仍是研究的热点。RRAM采用MIM结构的存储器件,结构非常简单,在上、下电极中间是忆阻材料,如图1所示。当在两个电极之间加一定幅度和一定宽度的脉冲电压,会使忆阻材料在两个稳定的电阻态转换。也可以用多个幅度较小的窄脉冲实现编程。存储电阻I-V曲线如图2[19]所示,具有典型的回滞特性。曲线分成4个区域:高阻态、低阻态和2个转变区,只有电压幅度超过一定阈值时可以对电阻进行编程或复位,编程电压的大小及脉宽与材料性能有关。用较小幅度的窄脉冲探测电阻的大小,进行读操作,由于脉宽和幅度都比较小,不会改变电阻的状态,因此,是非破坏性读出。要得到显著的电阻变化,需要较小的器件尺寸,因为电阻转变特性与1/D2有关,D是忆阻材料层的厚度[19]。这也是为什么直到近十几年随着工艺技术的发展RRAM的研究才更加深入。RRAM可以获得较大的开关电阻比,根据昀新文献报道,RRAM的开关电阻比可以超过106~107。比起其他存储器,RRAM器件制备工艺很简单,可以采用溅射、化学汽相淀积、脉冲激光淀积以及电子束蒸发等工艺形成电阻层,不需要增加专门的设备。有些制备工艺还可以在室温进行,不需要高温工序。这些都有利于降低成本,便于和标准CMOS工艺兼容。甚至可以在完成逻辑电路制作后,仅仅利用后步工序完成存储器件。表1几种不同类型存储器的比较[7−8]Table1Comparisonofvariousmemories[7−8]特性DRAMSRAMFlash(NOR/NAND)PRAMMRAMRRAM不挥发性不是不是是是是是单元晶体管数(常用)/T161110~1编程功耗中等中等高较低高低编程电压较低较低高—中等低读信号动态范围100~200mV100~200mVDeltacurrent10X~100X20%~40%10X~1000X写/擦时间50ns/50ns8ns/8ns1μs/1∼100ms10ns/50ns10ns/10ns10ns/30ns读时间/ns50850201020与CMOS兼容性差好中等好中等好多值存储不不可以可以不可以缩小限制电容6T隧穿氧化层电流电流光刻耐久性∞∞1051012∞~109单元尺寸(F2)6~1250~807~115~8—4每位成本低高中等低中等很低第3期王源等:新一代存储技术——阻变存储器5672RRAM存储单元结构和工作原理RRAM存储单元可以采用3种基本结构,即0T1R单元、1D1R单元和1T1R单元,如图3所示。还有的研究小组提出了一种叠置的1TXR单元结构,这种结构将在3维存储结构中介绍。下面分别说明0T1R、1D1R和1T1R存储单元的结构和工作原理。2.10T1R单元图1所示就是0T1R单元,只用一个存储电阻构成一个单元,电阻的上电极接字线,电阻的下电极接位线。这种单元结构简单可以实现4F2的昀小单元面积,而且便于实现三维立体集成。2008年HP实验室制作出半节距30nm的MIM结构存储器件,而当时DRAM的半节距是59nm[19]。构成存储阵列时在每条字线和位线上加选择开关,如图4[8]所示。在编程和读操作时,通过行译码和列译码选中一条字线和一条位线,从而选中交叉点的单元,但是这种0T1R单元阵列存在严重的干扰。如图5[20]所示,如果要读取右下角的高阻单元,读出电流应该很小,但是由于周围的3个单元都是低阻态,会通过这3个低阻单元形成较大的干扰电流,如图5中虚线标出的电流路径,从而造成读出错误。因此,采用这种0T1R单元结构需要采用具有自整流特性的忆阻材料,如Chen等[8]用硫族化合物Ge2Sb2Te5作电阻,采用0.18μmCMOS工艺制作出4kbRRAM。为了减小非选单元引起的干扰,在操作时对非选中的字线和位线加一定的电压抑制干扰。有两种电压方案,一种是V/2方案,另一种是V/3方案[8]。V/2方案如图6(a)所示,对选中字线加正常操作电压,选中位线接地,其余所有非选中的字线和位线都接V/2,编程(置位)、擦除(复位)和读操作时的V分别是1.3,1.0和1.15V。这种单元不是用两种极性相反的电压实现置位和复位操作,复位操作是采用相同极性幅度较低宽度较大的脉冲电压实现。这样,选中单元电阻上加电压V,而同图1RRAM的MIM器件结构[19]Fig.1SchematicdiagramofMIMstructureinRRAM[19]图2忆阻器的回滞特性[19]Fig.2Hysteresischaracteristicsofmemristor[19]图3RRAM的3种基本单元结构Fig.3SchematicdiagramofgenericRRAMcell图40T1R单元阵列结构[8]Fig.40T1RRRAMarrayarchitecture[8]图5读操作中的干扰问题[20]Fig.5Interferenceinreadingoperation[20]北京大学学报(自然科学版)第47卷568一行和同一列上非选中单元的电压是V/2,其余单元电压为0。V/3方案如图6(b)所示,对选中字线加正常操作电压,选中位线接地,非选中字线加V/3电压,非选中位线加2V/3电压。这样,只有选中单元的电压是V,其余单元电压只有V/3。对比图6(a)和(b)可以看出,V/2方案中大部分单元的电压为0,因此读出时的干扰(泄漏)电流路径少,但是由于加V/3比起加V/2的电流小很多,V/3方案中总的编程电流小。对于4kb单元阵列,V/2方案总的编程电流129mA,而V/3方案总的编程电流只有16mA[8]。不过,V/3方案中需要V/3、2V/3和V三种电压。2.21D1R单元为了避免非选中单元引起的干扰和泄漏路径,应该在每个存储单元增加一个选择开关,可以用二极管作开关器件,这样就构成了1D1R存储单元。可以采用在硅衬底形成pn结开关二极管,如图7[7]所示。但是这种结构占用面积大,需要高温工艺形成二极管。Lee等[